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DESARROLLO DE UN GRES PORCELÁNICO INCORPORANDO
ARCILLAS COLOMBIANAS SOMETIDAS A UN PROCESO DE BLANQUEAMIENTO
YUDI ESTER RAMÍREZ CALDERÓN
Universidad Nacional de Colombia
Facultad de Ingeniería
Doctorado en Ingeniería – Ciencia y Tecnología de Materiales
Bogotá, Colombia
2020
DESARROLLO DE UN GRES PORCELÁNICO INCORPORANDO
ARCILLAS COLOMBIANAS SOMETIDAS A UN PROCESO DE BLANQUEAMIENTO
YUDI ESTER RAMÍREZ CALDERÓN
Tesis presentada como requisito parcial para optar al título de:
Doctora en Ingeniería – Ciencia y Tecnología de Materiales
Director:
Prof. Dr. JUAN BAUTISTA CARDA CASTELLÓ
Departamento de Química Inorgánica y Orgánica
Universidad Jaime I de Castellón (España)
Codirector:
Prof. Dr. JESÚS SIGIFREDO VALENCIA RÍOS
Departamento de Química
Universidad Nacional de Colombia – Sede Bogotá
Universidad Nacional de Colombia
Facultad de Ingeniería
Doctorado en Ingeniería – Ciencia y Tecnología de Materiales
Bogotá, Colombia
2020
Esta tesis de doctorado está dedicada a mis padres,
hermanas, sobrinos y a Carlos, porque son lo que
más amo en la vida, porque siempre han estado
conmigo brindándome su amor sincero e
incondicional.
«Los sueños parecen al principio imposibles,
luego improbables, y luego, cuando nos
comprometemos, se vuelven inevitables»
«Nuestra recompensa se encuentra en el
esfuerzo y no en el resultado.
Un esfuerzo total es una victoria completa.»
Mahatma Gandhi
Agradecimientos
Quiero expresar los más sinceros agradecimientos a todas las personas y entidades que
hicieron posible la realización de esta tesis de doctorado y en especial:
A los profesores Juan Bautista Carda Castelló y Jesús Sigifredo Valencia Ríos, directores
de esta tesis, por su gran apoyo, sugerencias, comentarios y por brindarme un espacio
para asesorías.
A la Escuela Superior de Cerámica de L’Alcora en Castellón (España) por abrirme sus
puertas para el desarrollo de la parte experimental de esta tesis. En especial quiero
agradecer a los profesores Isaac Nebot, Jorge Llop y María Dolores Notari, por sus
valiosos aportes, por su gran amabilidad y acogida durante mi estancia en España.
Al Grupo de Investigación en Química del Estado Sólido de la Universidad Jaime I en
Castellón, España, en especial a la doctora Ester Barrachina Albert por su ayuda
incondicional, amabilidad y disposición.
A Cerámica San Lorenzo Colombia S.A por aportarme las materias primas y por la
disponibilidad de los equipos de laboratorio.
A Carlos Alberto Nieto Rangel por su apoyo y ayuda incondicional, por sus importantes
ideas y comentarios que fueron fundamentales para esta investigación.
A mis padres, hermanas y sobrinos por su gran amor y por su constante motivación para
la culminación de esta etapa académica.
Resumen y Abstract VII
Resumen
El objetivo de este trabajo ha sido el desarrollo de pastas de gres porcelánico con
materias primas de origen colombiano, con las mismas características técnicas que
actualmente poseen este tipo de productos en el contexto internacional. Para ello, se han
estudiado diferentes materias primas, comprendidas entre arcillas caoliníticas,
feldespatos y puzolanas naturales, procedentes de la zona centro de Colombia,
específicamente de las regiones de Boyacá, Cundinamarca y Santander. Algunas de
estas materias primas poseen contenidos de óxido de hierro por encima del 1%, por lo
que han sido sometidas a procesos de beneficio tanto físicos como químicos con el
propósito de disminuir la cantidad de este óxido colorante. El método de apilamiento y
posterior lixiviación con ácido oxálico, ha presentado los mejores resultados, con una
reducción en contenido de óxido de hierro de un 60% en peso. En este trabajo también
se ha utilizado una puzolana natural de la región de Boyacá, la cual ha mostrado mayor
fundencia y reactividad, comparada con un feldespato nacional. Además, se ha
estudiado la adición de fundentes como la nefelina y vidrio reciclado. Con estas materias
primas, se han desarrollado composiciones de pasta de gres porcelánico, obteniendo
valores de absorción de agua inferiores a 0,5%, en un rango de temperaturas
comprendidas entre 1160ºC y 1200ºC.
Palabras clave: Blanqueamiento, fundentes, gres porcelánico, absorción de agua.
VIII Desarrollo de un gres porcelánico incorporando arcillas colombianas sometidas a un
proceso de blanqueamiento
Abstract
The objective of this work has been the development of porcelain stoneware pastes with
raw materials of Colombian origin, with the same technical characteristics that currently
have this type of products in the international context. For this purpose, different raw
materials, including kaolinitic clays, feldspars and natural pozzolanas, have been studied
from the central area of Colombia, specifically from the regions of Boyacá, Cundinamarca
and Santander. Some of these raw materials have contents of iron oxide above 1% and
have been subjected to both physical and chemical benefit processes in order to reduce
the amount of this coloring oxide. The heap leaching method with oxalic acid has
presented the best results, with a reduction in iron oxide content of 60 wt%. In this work a
natural pozzolana of the Boyacá region has also been used, which has shown a greater
fluxing and reactivity behavior, compared to national feldspar. In addition, the
incorporation of fluxes such as nepheline and recycled glass has been studied. With
these raw materials, porcelain stoneware compositions have been developed, obtaining
water absorption values lower than 0,5%, in a temperature range between 1160°C and
1200°C.
Keywords: Bleaching, fluxes, porcelain stoneware, water absorption.
Contenido IX
Contenido
Pág.
Resumen..........................................................................................................................VII
Lista de figuras..............................................................................................................XII
Lista de tablas...............................................................................................................XV
1. Introducción ............................................................................................................. 1
2. Objetivos ................................................................................................................... 5 2.1 Objetivo general ................................................................................................. 5 2.2 Objetivos específicos ......................................................................................... 5
3. Estado del arte.......................................................................................................... 7 3.1 Materias primas para gres porcelánico ............................................................... 8
3.1.1 Arcillas Caoliníticas .......................................................................................... 8 3.1.2 Cuarzo ............................................................................................................. 8 3.1.3 Materias primas fundentes ............................................................................. 10
Feldespatos .................................................................................................. 10 Vidrio reciclado ............................................................................................. 13 Nefelina ........................................................................................................ 14 Puzolanas ..................................................................................................... 15
3.2 Métodos para la eliminación de hierro .............................................................. 17 3.2.1 Tamizado ....................................................................................................... 17 3.2.2 Sedimentación ............................................................................................... 18 3.2.3 Lixiviación ...................................................................................................... 20
Lixiviación por lotes ...................................................................................... 21 Lixiviación con ácido oxálico ......................................................................... 21
3.3 Técnicas de caracterización de las materias primas ......................................... 23 3.3.1 Fluorescencia de rayos X .............................................................................. 23 3.3.2 Difracción de rayos X ..................................................................................... 24 3.3.3 Microscopia electrónica de barrido (MEB) ...................................................... 25 3.3.4 Microscopía de calentamiento ....................................................................... 26 3.3.5 Espectrofotometría UV–Visible en la modalidad de reflectancia difusa ......... 28
3.4 Proceso de fabricación del gres porcelánico .................................................... 29 3.4.1 Dosificación y mezcla .................................................................................... 29 3.4.2 Molienda ........................................................................................................ 30 3.4.3 Atomización ................................................................................................... 31
X Desarrollo de un gres porcelánico incorporando arcillas colombianas sometidas
a un proceso de blanqueamiento
3.4.4 Prensado ........................................................................................................32 3.4.5 Secado ...........................................................................................................32 3.4.6 Esmaltado y decoración .................................................................................33 3.4.7 Cocción ..........................................................................................................33 3.4.8 Clasificación ...................................................................................................34
4. Procedimiento experimental ..................................................................................35 4.1 Fase 1. Selección materias primas ................................................................... 35 4.2 Fase 2. Caracterización materias primas .......................................................... 36
4.2.1 Caracterización química .................................................................................36 4.2.2 Caracterización mineralógica .........................................................................36 4.2.3 Caracterización microestructural ....................................................................36 4.2.4 Caracterización cerámica ...............................................................................37
Densidades aparentes ................................................................................... 39 Absorción de agua ........................................................................................ 39 Contracción lineal .......................................................................................... 40 Resistencia a la flexión .................................................................................. 40
4.2.5 Caracterización colorimétrica .........................................................................41 4.3 Fase 3. Aplicación tratamientos de beneficio .................................................... 42 4.4 Fase 4. Caracterización materias primas beneficiadas ..................................... 42 4.5 Fase 5. Desarrollo de formulaciones de pasta de gres porcelánico .................. 43 4.6 Fase 6. Definición condiciones de procesamiento ............................................. 43
5. Resultados y Discusión ..........................................................................................44 5.1 Resultados ........................................................................................................ 44
5.1.1 Selección materias primas .............................................................................44 Depósitos cuaternarios (Qd) .......................................................................... 45 Formación Tilatá ............................................................................................ 46 Formación Bogotá ......................................................................................... 47 Andesitas del Terciario .................................................................................. 48
5.1.2 Caracterización materias primas ....................................................................49 Análisis químico de las materias primas ........................................................ 49 Análisis mineralógico de las materias primas ................................................ 50 Análisis por microscopio de calefacción de las materias primas fundentes ... 53 Análisis cerámico de las materias primas ...................................................... 53 Densidades aparentes ................................................................................... 57 Resistencia a la flexión .................................................................................. 57
5.1.3 Aplicación de los tratamientos de beneficio ....................................................58 Tamizado en húmedo .................................................................................... 59 Sedimentación libre ....................................................................................... 59 Lixiviación por lotes ....................................................................................... 60
5.1.4 Caracterización materias primas beneficiadas ...............................................61 Análisis químico de las materias primas beneficiadas ................................... 61 Análisis mineralógico de las materias primas beneficiadas ........................... 63 Análisis colorimétrico de las materias primas beneficiadas ........................... 65 Análisis cerámico de las materias primas beneficiadas ................................. 71
5.1.5 Desarrollo de composiciones ..........................................................................73 Desarrollo de composiciones de pasta con la incorporación de materias primas tratadas ..................................................................................................... 74 Análisis químico ................................................................................................... 75
Contenido XI
Análisis mineralógico ........................................................................................... 75 Análisis cerámico ................................................................................................. 77 Resistencia a la flexión ........................................................................................ 80 Análisis colorimétrico ........................................................................................... 81 Densidad Aparente .............................................................................................. 84 Análisis por microscopía electrónica de barrido (MEB) ........................................ 84 Desarrollo de composiciones de pasta con la incorporación de materiales fundentes ............................................................................................................. 87 Análisis químico ................................................................................................... 87 Análisis mineralógico ........................................................................................... 88 Análisis cerámico ................................................................................................. 89 Resistencia a la flexión ........................................................................................ 92 Análisis colorimétrico ........................................................................................... 93 Densidades aparentes ......................................................................................... 96 Análisis por microscopía electrónica de barrido (MEB) ........................................ 96 Desarrollo de composiciones de pasta con la incorporación de materias primas desgrasantes como chamote cerámico y arena sílice .............................. 98 Análisis químico ................................................................................................... 99 Análisis mineralógico ........................................................................................... 99 Análisis cerámico ................................................................................................100 Resistencia a la flexión .......................................................................................101 Análisis colorimétrico ..........................................................................................102 Densidad aparente .............................................................................................104 Análisis por microscopía electrónica de barrido (MEB) .......................................104
5.1.6 Condiciones de Procesamiento ................................................................... 105 5.2 Discusión ........................................................................................................106
6. Conclusiones y recomendaciones ...................................................................... 109 6.1 Conclusiones ...................................................................................................109 6.2 Recomendaciones ...........................................................................................110
Contenido XII
Lista de figuras
Pág.
Figura 1-1 Cifras de importaciones de gres porcelánico en Colombia ........................... 2
Figura 3-1 Diagrama ternario de la representación química de los feldespatos .......... 11
Figura 3-2 Diagrama del proceso de fabricación del gres porcelánico ........................ 29
Figura 3-3 Proceso de dosificación y mezcla .............................................................. 30
Figura 3-4 Proceso de molienda ................................................................................. 30
Figura 3-5 Proceso de atomización ............................................................................. 31
Figura 3-6 Proceso de prensado ................................................................................. 32
Figura 3-7 Proceso de secado .................................................................................... 33
Figura 3-8 Proceso de esmaltado ............................................................................... 33
Figura 3-9 Proceso de cocción.................................................................................... 34
Figura 3-10 Proceso de clasificación ......................................................................... 34
Figura 4-1 Descripción de las fases del procedimiento experimental .......................... 35
Figura 4-2 Molinos planetarios .................................................................................... 37
Figura 4-3 Estufa de secado ....................................................................................... 37
Figura 4-4 Prensa uniaxial .......................................................................................... 38
Figura 4-5 Horno de gradiente de seis cámaras ......................................................... 38
Figura 4-6 Cámara de medida de densidades aparentes ............................................ 39
Figura 4-7 Baño termostático ...................................................................................... 39
Figura 4-8 Calibrador vernier LCD digital .................................................................... 40
Figura 4-9 Equipo ME-3 .............................................................................................. 41
Figura 4-10 Espectrofotómetro Konica Minolta CM–3600d ........................................ 41
Figura 4-11 Diagrama de los tres tratamientos de beneficio. ..................................... 42
Figura 5-1 Localización de las materias primas .......................................................... 44
Figura 5-2 Difractograma de la arcilla AO ................................................................... 51
Figura 5-3 Difractograma de la arcilla AT .................................................................... 51
Figura 5-4 Difractograma de la arcilla AR ................................................................... 51
Figura 5-5 Difractograma de la arcilla AS .................................................................... 52
Figura 5-6 Difractograma del feldespato FD................................................................ 52
Figura 5-7 Difractograma de la puzolana PZ ............................................................... 52
Figura 5-8 Curva de sinterización de los materiales fundentes ................................... 53
Figura 5-9 Curva de gresificación de la arcilla AO....................................................... 54
Figura 5-10 Curva de gresificación de la arcilla AT .................................................... 54
Figura 5-11 Curva de gresificación de la arcilla AR ................................................... 55
Contenido XIII
Figura 5-12 Curva de gresificación de la arcilla AS ................................................... 55
Figura 5-13 Curva de gresificación de la puzolana PZ .............................................. 56
Figura 5-14 Curva de gresificación del feldespato FD ............................................... 56
Figura 5-15 Densidades aparentes de las materias primas ...................................... 57
Figura 5-16 Resistencia a la flexión de las materias primas ...................................... 58
Figura 5-17 Proceso de tamizado ............................................................................. 59
Figura 5-18 Proceso de sedimentación ..................................................................... 60
Figura 5-19 Proceso de lixiviación ............................................................................ 60
Figura 5-20 Difractograma de la arcilla AT beneficiada ............................................. 64
Figura 5-21 Difractograma de la arcilla AR beneficiada ............................................ 64
Figura 5-22 Difractograma de la arcilla AS beneficiada ............................................ 64
Figura 5-23 Difractograma de la puzolana PZ beneficiada ........................................ 65
Figura 5-24 Parámetros colorimétricos de la puzolana PZ ........................................ 66
Figura 5-25 Cambio de tonalidad de la puzolana PZ ................................................ 66
Figura 5-26 Parámetros colorimétricos de la arcilla AT ............................................. 67
Figura 5-27 Cambio de tonalidad de la arcilla AT ..................................................... 68
Figura 5-28 Parámetros colorimétricos de la arcilla AR ............................................ 69
Figura 5-29 Cambio de tonalidad de la arcilla AR ..................................................... 69
Figura 5-30 Parámetros colorimétricos de la arcilla AS ............................................. 70
Figura 5-31 Cambio de tonalidad de la arcilla AS ..................................................... 71
Figura 5-32 Curvas de gresificación de la arcilla AT original y tratada ...................... 72
Figura 5-33 Curva de gresificación de la arcilla AR original y tratada........................ 72
Figura 5-34 Curva de gresificación de la arcilla AS original y tratada ........................ 73
Figura 5-35 Curva de gresificación de la puzolana PZ original y tratada ................... 73
Figura 5-36 Difractograma de la composición C1 ..................................................... 76
Figura 5-37 Difractograma de la composición C2 ..................................................... 76
Figura 5-38 Difractograma de la composición C3 ..................................................... 76
Figura 5-39 Difractograma de la composición C4 ..................................................... 77
Figura 5-40 Difractograma de la composición C5 ..................................................... 77
Figura 5-41 Curva de gresificación de la composición C1 ......................................... 78
Figura 5-42 Curva de gresificación de la composición C2 ......................................... 78
Figura 5-43 Curva de gresificación de la composición C3 ......................................... 79
Figura 5-44 Curva de gresificación de la composición C4 ......................................... 79
Figura 5-45 Curva de gresificación de la composición C5 ......................................... 80
Figura 5-46 Resistencia a la flexión de las composiciones C1, C2, C3, C4 y C5 ...... 81
Figura 5-47 Parámetros colorimétricos de las composiciones C1 y C2 ..................... 82
Figura 5-48 Parámetros colorimétricos de las composiciones C3, C4 y C5 .............. 83
Figura 5-49 Probetas cocidas de las composiciones C1, C2, C3,C4 y C5 ................ 83
Figura 5-50 Densidades aparentes de las composiciones C1, C2, C3, C4 y C5 ....... 84
Figura 5-51 Micrografías de las composiciones C1, C2, C3, C4 Y C5 ...................... 85
Figura 5-52 Análisis estadístico de las composiciones C1, C2, C3, C4 Y C5 ............ 86
Figura 5-53 Difractograma de la composición C6 ..................................................... 88
Figura 5-54 Difractograma de la composición C7 ..................................................... 89
Figura 5-55 Difractograma de la composición C8 ..................................................... 89
XIV Desarrollo de un gres porcelánico incorporando arcillas colombianas sometidas
a un proceso de blanqueamiento
Figura 5-56 Difractograma de la composición C9 ...................................................... 89
Figura 5-57 Curva de gresificación de la composición C6 ......................................... 90
Figura 5-58 Curva de gresificación de la composición C7 ......................................... 91
Figura 5-59 Curva de gresificación de la composición C8 ......................................... 92
Figura 5-60 Curva de gresificación de la composición C9 ......................................... 92
Figura 5-61 Resistencia a la flexión de las composiciones C6, C7, C8 y C9 ............. 93
Figura 5-62 Parámetros colorimétricos de las composiciones C6 y C7 ..................... 94
Figura 5-63 Parámetros colorimétricos de las composiciones C8 y C9 ..................... 95
Figura 5-64 Probetas cocidas de las composiciones C6, C7, C8 y C9 ...................... 95
Figura 5-65 Densidades aparentes de las composiciones C6, C7. C8 y C9 .............. 96
Figura 5-66 Micrografías de las composiciones C6, C7, C8 y C9 .............................. 97
Figura 5-67 Análisis estadístico de las composiciones C6, C7, C8 Y C9 ................... 98
Figura 5-68 Difractograma de la composición C10 .................................................. 100
Figura 5-69 Difractograma de la composición C11 .................................................. 100
Figura 5-70 Curva de gresificación de la composición C10 ..................................... 101
Figura 5-71 Curva de gresificación de la composición C11 ..................................... 101
Figura 5-72 Resistencia a la flexión de las composiciones C10 y C11 .................... 102
Figura 5-73 Parámetros colorimétricos de las composiciones C10 y C11 ............... 103
Figura 5-74 Probetas cocidas de las composiciones C10 y C11 ............................. 103
Figura 5-75 Densidades aparentes de las formulaciones C10 y C11....................... 104
Figura 5-76 Micrografías de las composiciones C10 y C11 ..................................... 105
Figura 5-77 Análisis estadístico de las composiciones C10 y C11 .......................... 105
Contenido XV
Lista de tablas
Pág.
Tabla 3-1 Clasificación de las baldosas cerámicas según norma ISO13006-NTC919 . 7
Tabla 5-1 Materias primas utilizadas y su identificación en el texto ........................... 45
Tabla 5-2 Análisis químico por fluorescencia de rayos X de las materias primas ...... 49
Tabla 5-3 Análisis mineralógico por difracción de rayos X de las materias primas .... 50
Tabla 5-4 Análisis químico de la arcilla AT con los tratamientos de beneficio ........... 61
Tabla 5-5 Análisis químico de la puzolana PZ con los tratamientos de beneficio ...... 62
Tabla 5-6 Análisis químico de la arcilla AR con los tratamientos de beneficio ........... 62
Tabla 5-7 Análisis químico de la arcilla AS con los tratamientos de beneficio ........... 63
Tabla 5-8 Análisis mineralógico de las materias primas beneficiadas ....................... 64
Tabla 5-9 Composiciones de pasta C1, C2, C3, C4 y C5 .......................................... 74
Tabla 5-10 Caracterización química de las composiciones C1, C2, C3, C4 y C5 ........ 75
Tabla 5-11 Composiciones de pasta C6, C7, C8 y C9 ................................................ 87
Tabla 5-12 Caracterización química de las composiciones C6, C7, C8 Y C9 .............. 88
Tabla 5-13 Composiciones de pasta C10 y C11 ......................................................... 99
Tabla 5-14 Caracterización química de las composiciones C10 y C11 ....................... 99
1. Introducción
El gres porcelánico es un producto cerámico que se caracteriza principalmente por
valores de absorción de agua muy bajos (< 0,5%) por lo que, según la norma ISO 13006
- NTC 919, se clasifica en el grupo Bla, que corresponde a materiales gresificados,
prensados en seco y con valores de porosidad inferiores a 0,5%, expresados en términos
de absorción de agua. Esta característica hace que el gres porcelánico sea un material
de alto desempeño y con elevadas características técnicas, como por ejemplo alta
resistencia a las manchas, al desgaste y al impacto; además, es de gran durabilidad,
adaptabilidad y versatilidad.
Actualmente, el gres porcelánico tiene una gran demanda en el mercado, donde compite
estéticamente no sólo con los materiales cerámicos tradicionales, sino también con
materiales como el mármol y el granito, dado que se pueden obtener diseños que se
asemejan a estas rocas naturales, además de ser elegante, vistoso e higiénico, lo que
exige muy poco mantenimiento. Las últimas tendencias del gres porcelánico han sido el
desarrollo de grandes formatos, llegando a alcanzar dimensiones de 160 x 320 cm. Las
características antes mencionadas hacen que el gres porcelánico sea un producto muy
usado en la pavimentación de zonas con alto tránsito peatonal, espacios residenciales y
recubrimientos de edificios.
La producción mundial de gres porcelánico ha experimentado una expansión importante,
esta ganancia de espacio, cada vez mayor en el comercio, se debe no solamente al buen
desempeño que ha tenido en el sector constructor, especialmente en la línea de
acabados y la remodelación, sino también a sus elevadas características técnicas y a su
constante evolución estética.
2 Introducción
Con respecto a Colombia, el mercado del gres porcelánico es atractivo y dinámico. Lo
cual se puede evidenciar en las cifras de importaciones de este producto de los últimos
diez años que se muestran en la figura 1-1, las cuales pasan de 4,772,990 m2 en el año
2009 a 8,829,238 m2 en el año 2019 (Matias, T. 2017). Teniendo un pico máximo en el
año 2014, con cerca de 12 millones de metros cuadrados.
Figura 1-1 Cifras de importaciones de gres porcelánico en Colombia
Con estas cifras de mercado, se puede pensar que Colombia tiene gran potencial en
ventas de este producto; pero a pesar de estos importantes datos, la pregunta que surge
es: ¿Por qué no se produce más gres porcelánico en Colombia?, una de las repuestas a
este interrogante está enmarcada principalmente, en la ausencia o poca presencia de
materias primas nacionales que cumplan con las características técnicas para el
desarrollo de este producto. Entre las características técnicas más importantes se
pueden resaltar principalmente dos; la primera de ellas es el elevado grado de blancura
que deben poseer estas materias primas, es decir valores de óxidos pigmentantes por
debajo del 1%, ya que éstas sustancias colorean las piezas después del proceso de
cocción y debido sobre todo a las exigencias del mercado, y a que los consumidores
tienen la idea que los productos de coloración blanca son de mayor calidad y le atribuyen
mejores prestaciones técnicas; en general, el mercado del gres porcelánico está centrado
principalmente en la producción de baldosas de coloración clara.
Introducción 3
Recientemente ha entrado con gran fuerza en el mercado el gres porcelánico esmaltado
en el cual la coloración del soporte cocido es menos estricta, ya que el esmaltado y la
decoración final que se le da al soporte cerámico ocultan en gran medida la coloración
original. En este sentido, se puede pensar en que las arcillas nacionales que se utilizan
recientemente y que son adecuadas solamente para la fabricación de soportes cerámicos
de coloración roja, pueden ser utilizadas como materia prima para la fabricación de gres
porcelánico, de coloración clara, si son sometidas a tratamientos previos y
acondicionamientos necesarios para tal fin. De esta forma, se mejorarían las
prestaciones y se obtendrían productos de mayor valor agregado y con un menor
impacto ambiental, ya que no se harían explotaciones mineras diferentes a las ya
existentes.
La segunda característica técnica que deben cumplir las materias primas para el
desarrollo de un gres porcelánico, es el alto grado de sinterización que deben alcanzar,
debido a la necesidad de obtener bajos niveles de porosidad en el producto acabado;
esta baja porosidad se logra mediante la formación de fase líquida durante la cocción en
donde los agentes fundentes desempeñan un papel fundamental. Uno de los agentes
fundentes comúnmente utilizados en la fabricación de gres porcelánico es el feldespato.
En Colombia la presencia de minas de este mineral es baja y la calidad del mismo no es
la mejor, siendo principalmente potásicos, con un bajo proceso de beneficio, lo que hace
necesario pensar en reemplazar esta materia prima por otros materiales que cumplan
con las mismas características fundentes.
Por otra parte, hay que resaltar que la tendencia mundial, que existe en este momento,
es considerar el empleo de diferentes residuos y subproductos industriales reciclados
como una nueva fuente de materia prima; y al mismo tiempo mejorar la calidad de los
productos reduciendo las emisiones nocivas y el uso de energía, todo ello respetando el
medio ambiente. En particular, la industria cerámica, durante el proceso de fabricación,
va generando diferentes residuos, los cuales últimamente están siendo reutilizados, pero
muchas veces sin tener una caracterización previa de los mismos, por lo que, si cada uno
de estos residuos se valora adecuadamente, permitiría un ahorro de materias primas y
un menor consumo energético para obtener materiales con buenas prestaciones.
4 Introducción
El gres porcelánico en el mercado colombiano se ha convertido en un producto de alta
demanda, con mayor valor agregado, que en muchos casos puede superar ampliamente
el precio de la cerámica tradicional, razón por la cual las industrias cerámicas
colombianas deben llevar al mercado hacia la innovación y la diferenciación; por lo tanto
este estudio tiene como propósito general el desarrollo de un gres porcelánico con
materias primas de procedencia nacional, intentando mantener constantes las
propiedades técnicas requeridas en los productos actualmente comercializados, como
son la baja absorción de agua, alta resistencia mecánica y, a su vez, mejorar el grado de
blancura, por lo que se considerarán diferentes materias primas disponibles en la
industria cerámica, las cuales serán sometidas a un proceso de beneficio para poder ser
usadas en pastas cerámicas de gres porcelánico de coloración clara. Además de
incorporar residuos industriales, lo que aumentaría la competitividad del producto y
disminuiría los costos manteniendo la calidad del producto final.
Con este estudio se podrán sentar las bases para continuar hacia un nivel industrial,
logrando así aportar en el conocimiento de las condiciones de proceso que se deben
configurar para producir gres porcelánico con materias primas colombianas, lo cual
permitirá ofrecer este producto en el mercado nacional e internacional y así abrir nuevos
campos de desarrollo para el país que permitirán obtener un mayor valor agregado a las
materias primas colombianas y permitir la utilización de nuevas fuentes de materias
primas y de igual manera sustituir parte de la importación de este producto.
A nivel de conocimiento, se sabe que los materiales cerámicos ocurren por reacciones en
estado sólido, por lo que este estudio permitirá conocer el comportamiento en la
reactividad entre diferentes óxidos, conocer los mecanismos de formación de fases
cristalinas a partir de los elementos de partida y abrir aún más los campos de aplicación
a nivel de control proceso, para las técnicas de caracterización que comúnmente son
empleadas para la caracterización de sólidos, como lo son la fluorescencia de rayos X, la
difracción de rayos X, la microscopia electrónica de barrido, entre otros. Buscando una
mayor integración universidad–industria.
2. Objetivos
2.1 Objetivo general
Caracterizar y beneficiar materias primas colombianas con el fin de reducir sus
contenidos de hierro e impurezas, para su utilización en el desarrollo de un gres
porcelánico de coloración clara.
2.2 Objetivos específicos
Caracterizar química, mineralógica y cerámicamente materias primas distribuidas entre
arcillas, arenas, feldespatos, puzolanas y residuos industriales.
Tratar mediante técnicas de beneficio, tanto físicas como químicas, las materias primas
con contenidos moderados de óxidos de hierro, con el fin de obtener una disminución
significativa de este óxido pigmentante.
Caracterizar química, mineralógica y cerámicamente cada una de las materias primas
sometidas a los tratamientos de beneficio.
Desarrollar formulaciones de pasta de gres porcelánico, incorporando las materias
primas tratadas previamente y caracterizar cerámicamente cada una de estas
formulaciones obtenidas.
Definir las condiciones de procesamiento a nivel productivo.
3. Estado del arte
El gres porcelánico se puede definir a partir de las dos palabras que componen su
denominación. La palabra “gres” indica un material de masa muy compacta, constituida
por varias fases cristalinas inmersas en una matriz vítrea. El adjetivo “porcelánico” posee
una raíz etimológica en la palabra porcelana, el cual es un material cerámico
tradicionalmente blanco, translúcido, compacto y muy duro (Sacmi, 2004, p.322). El gres
porcelánico es un producto cerámico que se caracteriza principalmente por valores de
absorción de agua muy bajos (<0,5%) por lo que, según la norma ISO 13006-NTC 919,
se clasifica en el grupo Bla, que corresponde a materiales gresificados, prensados en
seco y con valores de porosidad inferiores a 0,5%, expresados en términos de absorción
de agua, como se puede observar en la tabla 3-1.
Tabla 3-1 Clasificación de las baldosas cerámicas según norma ISO13006-NTC919
Método de conformación
Capacidad de Absorción de Agua = A
Grupo I A ≤ 3%
Grupo IIa 3% < A ≤ 6%
Grupo IIb 6% < A ≤ 10%
Grupo III A > 10%
A Baldosas Extruidas
AI Absorción de
agua baja
AIIa Absorción de
agua media-baja
AIIb Absorción de
agua media-alta
AIII Absorción de
agua alta
B Baldosas
prensadas en seco
BIa E ≤ 0.5%
Absorción de agua muy baja BIIa
Absorción de agua media-baja
BIIb Absorción de
agua media-alta
BIII Absorción de
agua alta BIb 0.5% < E ≤ 3% Absorción de
agua baja
8 Desarrollo de un gres porcelánico incorporando arcillas colombianas sometidas a
un proceso de blanqueamiento
3.1 Materias primas para gres porcelánico
Los soportes de gres porcelánico usualmente contienen materias primas distribuidas
entre arcillas caoliníticas, cuarzo y agentes fundentes, tales como feldespatos, talcos,
nefelinas, etc. Cada una de estas materias primas juega un papel fundamental y le aporta
una característica de interés a la pasta. A continuación, se describe con más detalle cada
una de las materias primas que conforman la pasta de un gres porcelánico y la función
que cumple cada una de ellas:
3.1.1 Arcillas Caoliníticas
Las arcillas caoliníticas están compuestas principalmente de caolinita, el cual es un
mineral de arcilla cuya formula es Al2O3.2SiO2.2H2O. Son materiales de baja plasticidad,
cocción blanca y alta refractariedad. Las arcillas caoliníticas tienen dos funciones
principales en la formulación de pasta de gres porcelánico: La primera de ellas es conferir
blancura a la pasta, ya que su color en cocido es esencialmente blanco, debido a su bajo
contenido de óxidos colorantes principalmente hierro y titanio. La segunda función es
proporcionar la plasticidad necesaria para que después de la etapa de prensado, las
piezas tengan una alta resistencia mecánica en seco para facilitar la manipulación y
transporte del producto sin cocer (Restrepo, 2011, p. 91).
Según Biffi, (2002), además de proporcionar blancura a la masa cerámica, la caolinita es
portador básico de óxido de aluminio (Al2O3), que durante la fase de vitrificación, regula el
equilibrio de las reacciones. De hecho, la alúmina puede participar en la formación de
una fase vítrea aluminosa de silicio en asociación con elementos fundentes o también se
encuentran predominantemente al final del proceso de mullita (3Al2O3·2SiO2), que debido
a su morfología de agujas, actúa como un "esqueleto" de los productos obtenidos que
contribuyen a aumentar la resistencia mecánica.
3.1.2 Cuarzo
El cuarzo es la forma cristalina predominante de la sílice (SiO2), se adiciona como
materia prima para el soporte, en forma de arena cuarcífera finamente dividida. Las
funciones del cuarzo en las pastas de gres porcelánico son múltiples, en donde se puede
destacar: Actuar como un indicador importante de la relación correcta entre SiO2 y Al2O3
Capítulo 3 9
para la formación de mullita, que según Biffi, (2002) es una etapa de neoplasia de gran
importancia porque aumenta la resistencia mecánica de las piezas; disminuir la
plasticidad y el tiempo de secado; aumentar la permeabilidad de la pieza cruda, la
compacidad y el coeficiente de dilatación de la pieza cocida; así como evitar que ésta se
deforme o contraiga demasiado tanto en el secado como en la cocción. El cuarzo está
presente en la mayor parte de las pastas empleadas en cerámica, ya sea introducido con
las arcillas naturales o como materia prima separada.
Una mayor proporción de este mineral en las pastas empleadas en la fabricación de gres
porcelánico, reduce de modo significativo, la contracción de cocción e incrementa la
porosidad de las piezas cocidas, a igualdad de temperatura. Así mismo, una cantidad
excesiva de sílice disminuye, en todos los casos, la resistencia mecánica de la pieza
tanto cruda como cocida e incrementa el coeficiente de dilatación del producto cocido,
pudiendo causar durante la etapa de enfriamiento de la pieza tras su cocción, la rotura
denominada microfisura, como consecuencia de las enormes tensiones producidas por la
inversión β → α de esta especie cristalina. La función del cuarzo, es formar el "esqueleto"
del soporte cerámico, una función no plástica y estructural necesaria para controlar los
cambios en las dimensiones del producto durante las etapas de secado y cocido
(Restrepo, 2011, p. 91).
El gres porcelánico exige que las materias primas utilizadas sean de muy buena calidad y
de elevada pureza, por lo que la mayoría de países que no cuentan con materias primas
de coloración blanca, de alta calidad y/o en cantidades suficientes, deben importar
grandes cantidades de materias primas de otros países en especial de Ucrania y Turquía
lo que trae consigo, un aumento en el costo de producción de estos productos y
disminución en la competitividad. Las fuentes de estas materias primas de alto grado y
calidad han empezado a escasear, siendo así necesario pensar en fuentes alternativas
de materiales que cumplan con las características adecuadas para el desarrollo de gres
porcelánico.
Es por esta razón que se han llevado a cabo varias investigaciones en diferentes países
cuyo propósito es estudiar la viabilidad de materias primas de origen local en el uso de
formulaciones de gres porcelánico. Dentro de estas investigaciones se pueden resaltar
las realizadas por: Abadir et al., (2002), quienes trabajan con materias primas egipcias;
10 Desarrollo de un gres porcelánico incorporando arcillas colombianas sometidas a
un proceso de blanqueamiento
Andreola et al., (2009), estudian materias primas italianas y bentonitas; Galos, (2011),
caracterizan diferentes arcillas de Polonia; Hevia et al., (2008), utilizan materias primas
de Argentina; Lázaro et al., (2012); Llop et al., (2011); Sánchez et al., (2002), analizan
materias primas de origen español; Kamseau et al., (2007), caracterizan dos arcillas de
Camerún; Matthew, (2014), utilizan un feldespato de Nigeria; Sousa et al., (2008),
trabajan con materias primas de Brasil; Ríos, (2009) y Céspedes, (2014), estudian
materias primas de Colombia. El propósito de estas investigaciones ha sido el estudio y
caracterización de materias primas de origen local, con las cuales han desarrollado
formulaciones de pasta de gres porcelánico, obteniendo composiciones que alcanzan
una alta sinterización, una baja porosidad y que cumplen con las características técnicas
que deben poseer este tipo de productos.
3.1.3 Materias primas fundentes
Feldespatos
De acuerdo a Biffi, (2002) Los feldespatos se definen como aluminatos de silicio de
metales alcalinos y alcalinotérreos. La composición de feldespatos constituyentes de
rocas corresponde a un sistema ternario compuesto por:
Feldespato potásico (KAlSi3O8) (ortoclasa)
Feldespato sódico NaAlSi3O8 (albita)
Feldespato cálcico CaAl2Si2O8 (anortita)
Feldespatos con una composición química entre anortita y albita se llaman plagioclasas,
en cambio los feldespatos con una composición entre albita y ortoclasa se llaman
feldespatos alcalinos. Los miembros de ambos grupos tienen los nombres específicos
como se indican en la figura 3-1. Las composiciones químicas de los feldespatos en este
sistema ternario, se expresan generalmente en función de los porcentajes moleculares
de Ortoclasa (Or), Albita (Ab) y Anortita (An).
Capítulo 3 11
Figura 3-1 Diagrama ternario de la representación química de los feldespatos
Estos tipos de feldespatos presentan varios estados polimórficos y pueden formar
cristales mixtos, por lo que su comportamiento frente al calor es intermedio respecto a los
cristales puros. Generalmente, inician su descomposición a 1160°C y la terminan a
1290°C. La elevada cantidad de álcalis que presentan estas materias primas determina
su facilidad para fundir y reaccionar con otros componentes. Los feldespatos alcalinos
son los más empleados en la industria cerámica. La albita, NaAlSi3O8, presenta un punto
de fusión congruente a 1090°C. Por el contrario, la ortosa, KAlSi3O8, muestra una fusión
incongruente a 1180°C transformándose en leucita KAlSi2O6, y un vidrio silíceo de alta
viscosidad. A medida que aumenta la temperatura va disminuyendo muy lentamente la
viscosidad del vidrio formado. Evidentemente, la viscosidad de la albita es más baja que
la de la ortoclasa hasta los 1180°C, ya que esta última no ha comenzado a fundir. La fase
amorfa desarrollada a partir de la ortosa proporciona un amplio intervalo de cocción
debido a su alta viscosidad. Dicho intervalo se extenderá desde 1180°C a 1530°C, en
esta última temperatura es donde se produce la fusión completa de la leucita. Por el
contrario, el intervalo de cocción será más reducido cuando el feldespato empleado sea
la albita ya que la viscosidad de la fase amorfa es más baja. (Barba et al., 2002, p.175).
12 Desarrollo de un gres porcelánico incorporando arcillas colombianas sometidas a
un proceso de blanqueamiento
Los feldespatos juegan un papel fundamental en las formulaciones de pastas de gres
porcelánico, dado que actúan como fundentes, produciendo abundante fase líquida, la
cual, es indispensable para obtener las excelentes características técnicas del gres
porcelánico. Su función principal es facilitar la fusión y reactividad de la pasta, lo que
hace que se reduzca la temperatura de cocción necesaria para alcanzar valores bajos de
absorción de agua. La acción de los feldespatos sódicos es más efectiva que la de los
feldespatos potásicos, lo que implica mayores pendientes en las curvas de contracción
lineal - absorción de agua - temperatura y la obtención de bajas absorciones de agua e
hinchamiento de las piezas a temperaturas inferiores. Por otro lado, los feldespatos
actúan como desgrasantes mejorando la compacidad y permeabilidad de las piezas
conformadas.
Debido a la necesidad de lograr un alto grado de sinterización, se han desarrollado
diferentes estudios en donde han sido incorporados en composiciones de pastas de gres
porcelánico, diferentes materiales como por ejemplo: escoria de alto horno, escorias
metalúrgicas, residuos de vidrio, entre otros, con el fin de reemplazar al feldespato y de
estudiar el efecto de esta incorporación sobre las propiedades técnicas del producto
cocido. Dentro de estos estudios se pueden destacar la investigación realizada por
Andreola et al., (2001), en donde se ha estudiado la posibilidad de utilizar residuos
sólidos de la incineración de desechos municipales, usando tres diferentes tipos de
cenizas en las formulaciones de pasta de productos cerámicos. De esta investigación se
puede concluir, que dos de los tipos de cenizas no son aptos para ser utilizados como
materia prima en la industria cerámica ya que generan defectos en el producto final, por
el contario una de las cenizas utilizadas si es introducida hasta el 20% en peso en la
formulación de pasta, no cambia sustancialmente el comportamiento mineralógico y
térmico del producto cerámico.
En la investigación de Pal et al., (2016), se han formulado composiciones de pasta de
gres porcelánico utilizando escoria de industrias metalúrgicas reemplazando parte del
feldespato. En los resultados obtenido se ha encontrado que la adición de escoria que
reemplaza parte del feldespato trae una vitrificación temprana y una resistencia a la
flexión superior en comparación con la composición estándar, por lo tanto se pueden
producir baldosas de porcelana vitrificada de bajo costo, donde los principales residuos
Capítulo 3 13
sólidos generados por las industrias del hierro y el acero, pueden utilizarse como fuente
alternativa de materias primas en la industria cerámica.
En la investigación realizada por Caligaris et al., (2000), se evalúa la reutilización de
diversos residuos: Vidrio, aisladores eléctricos y cenizas volantes en las formulaciones de
pasta de productos cerámicos. Entre los resultados obtenidos de este estudio se puede
resaltar que la introducción de estos materiales de reciclado, en la formulación de pastas,
puede aportar la fundencia complementaria al feldespato y además pueden reducir la
temperatura de sinterización. Por lo tanto, desde un punto de vista exclusivamente
técnico es posible reutilizar estos residuos en el propio proceso de producción de
baldosas.
En la investigación realizada por Guzmán et al., (2013), se estudia la utilización de una
ceniza de tamo de arroz como substituto del feldespato en la fabricación de productos
cerámicos de tipo triaxial. Para esto se han preparado mezclas, donde la ceniza sustituye
al feldespato en volúmenes distintos, evaluando las propiedades físicas y mecánicas de
los productos cerámicos obtenidos. De esta investigación se puede concluir que la ceniza
de tamo de arroz es un posible reemplazo parcial del feldespato en la elaboración de
productos cerámicos. Encontrando como resultados que la porosidad y la absorción de
agua disminuyen y la resistencia a la compresión de las piezas cocidas aumentan con
adiciones de hasta un 75% en reemplazo del feldespato. No obstante, para valores de
sustitución superiores al 50%, se observa el fenómeno de hinchamiento.
Vidrio reciclado
Puede provenir de diferentes fuentes como por ejemplo de botellas, pantallas de
televisor, lámparas, ventanas, entre otros artefactos, lo que define su naturaleza la cual
puede ser sódico-cálcica, borosilicato o aluminosilicato. Su uso depende de la
composición y de la distribución granulométrica, siendo los de naturaleza sódico-cálcica
la más utilizada en la industria cerámica, en donde es incorporado en el desarrollo
composiciones de soportes, engobes y esmaltes cerámicos, con la idea de ayudar en el
proceso de sinterización. La idea de incorporar vidrio reciclado en materiales cerámicos
se da principalmente porque este material es capaz de generar una fase líquida de baja
viscosidad a partir de los 1116ºC, lo que ayuda a la sinterización, actuando como un
14 Desarrollo de un gres porcelánico incorporando arcillas colombianas sometidas a
un proceso de blanqueamiento
material fundente lo que ayuda a disminuir la porosidad y su vez mejorar la resistencia
mecánica en cocido de los materiales cerámicos.
La incorporación de materiales de desecho en el ciclo productivo es una alternativa de
interés en la industria moderna, que conduce tanto a un beneficio económico como a una
considerable reducción del impacto sobre el medio ambiente. Con respeto al uso del
vidrio reciclado en las formulaciones de pasta del gres porcelánico, en las investigaciones
realizadas por Bernardo et al., (2008); Chitwaree et al., (2018); Delvasto et al., (2015);
Lázaro et al., (2012); Luz & Ribeiro, (2007); Njindam et al., (2018); Rambaldi et al.,
(2007); Silva et al., (2018) y Tucci et al., (2005), se utilizan diferentes tipos de vidrio para
sustituir parcialmente al feldespato que es el material fundente comúnmente utilizado en
una pasta de gres porcelánico. Para esto, se desarrollan diferentes composiciones de
pasta de gres porcelánico, en donde se reemplaza en diferentes cantidades al feldespato
y se observa sus efectos en las propiedades técnicas cerámicas. De los resultados más
relevantes de estas investigaciones, se puede resaltar que el uso del vidrio logra una
disminución significativa en la temperatura de sinterización del gres porcelánico obtenido.
Además se observa una disminución en la absorción de agua y un aumento en la
resistencia a la flexión, ya que se logra una mayor cristalización con una microestructura
más homogénea.
Nefelina
Según Dana-Hurlbut, (1960) la composición de la nefelina es silicato alumínico de potasio
y sodio (AlSiO4) (Na,K). Aparece en algunas lavas recientes en cristales vítreos, por
ejemplo, en las lavas del Vesubio y es un constituyente esencial, de rocas como la
fonolita, sienta y basalto nefelínico. Es un mineral que es ampliamente utilizado en la
industria cerámica como un fundente para las fritas y los esmaltes, y se utiliza en
pequeñas cantidades en los cuerpos vitrificados como un flujo energético. En cuerpos de
gres porcelánico se utiliza, sólo en pequeñas proporciones (3-5%), como un fundente
para reducir la temperatura de cocción y para mejorar la fusión, reduciendo el nivel de
porosidad y aumentado el contenido de álcali en la fase vítrea, (Rogers, 2003). El punto
de fusión de la nefelina es más bajo que el de los feldespatos, comienza a fundirse desde
los 940ºC, esta fusión tiene lugar de forma controlada, ya que es portadora de álcali (Na),
lo que disminuye la viscosidad y contribuye a aumentar la tasa de densificación dando
Capítulo 3 15
como resultado un aumento en la cantidad de cristales de mullita y por consiguiente un
aumento en la densidad aparente y la resistencia a la flexión (Ustundag et al., 2006)
La nefelina también ha sido estudiada con el fin de determinar su uso como agente
fundente en las formulaciones de pastas de gres porcelánico. Dentro de estos estudios
se pueden resaltar los realizadas por Salem et al., (2010); Esposito et al., (2005) y
Kamseu et al., (2007), en donde tomando una formulación estándar, el feldespato es
reemplazado en diferentes cantidades por la nefelina con el objetivo de determinar su
efecto sobre las propiedades tecnológicas como contracción, absorción de agua,
resistencia y porosidad. De acuerdo a los resultados obtenidos en cada una de estas
investigaciones se establece que la presencia de nefelina tiene una gran influencia en las
propiedades técnico cerámicas, ya que aumenta la contracción, disminuye la porosidad y
por ende la absorción de agua y aumenta la resistencia a la flexión. Este comportamiento
es atribuido a que la microestructura de los productos de gres porcelánico obtenidos es
más homogénea, brindando mejores propiedades.
Puzolanas
Puzolana es un material silíceo o silito-alumínico, que contribuye al desarrollo de las
resistencias de los cementos e igualmente evita su disolución o ataque por causa de los
medios agresivos exteriores, dando lugar a una mayor resistencia química y durabilidad.
(Cepeda & Pardo, 2014, p. 7). Las puzolanas, según su origen, se pueden clasificar en:
Puzolanas naturales y puzolanas artificiales. Las puzolanas naturales que han sido las
utilizadas en este estudio, según lo expresado por Salazar, (2002), son productos de
transformación del polvo y “cenizas” volcánicas que, como materiales piroclásticos
incoherentes procedentes de erupciones explosivas, ricos en vidrio y en estado especial
de reactividad, son aptos para sufrir acciones endógenas (zeolitización y cementación) o
exógenas (argilización). Los materiales puzolánicos naturales están constituidos
principalmente por rocas eruptivas y en particular efusivas y volcánicas, y dentro de
éstas, por extrusivas.
16 Desarrollo de un gres porcelánico incorporando arcillas colombianas sometidas a
un proceso de blanqueamiento
Con respecto al uso de la puzolana se han desarrollado investigaciones mostrando su
capacidad fundente, por ejemplo en las investigaciones de Bozkurt et al., (2006) y
Pazniak et al., (2018), se ha estudiado el posible uso de la traquita y riolita
respectivamente, como agentes fundentes alternativos en una pasta cerámica. La
diferencia entre estas dos rocas volcánicas es que la traquita presenta dentro de su
composición feldespato potásico y plagioclasa, mientras que la riolita está compuesta
casi en su totalidad por feldespato potásico. Los resultados preliminares de estas dos
investigaciones muestran que es posible incorporar la traquita y la riolita en una
formulación de pastas cerámicas como un agente de flujo y obtener propiedades
tecnológicas significativas.
En la investigación realizada por Naga et al., (2012), se ha evaluado el uso de la
granodiorita, la cual es una roca ígnea plutónica con textura fanerítica parecida al granito,
pero con la diferencia que contiene más plagioclasas que ortosa, como agente fundente
en una pasta de gres porcelánico. Para esto, se sustituye completamente al feldespato y
se obtienen baldosas cerámicas con propiedades similares a los productos
comercializados. El estudio evalúa la dependencia de la microestructura y las
propiedades mecánicas de las baldosas cerámicas de gres con el contenido de
granodiorita, mostrando que al aumentar el contenido de granodiorita, aumenta la
resistencia a la flexión.
En el estudio realizado por Serra et al., (2015), se ha demostrado que la ceniza volcánica
puede reemplazar al feldespato y actuar como agente fundente en la formulación de
materiales cerámicos a base de arcilla, ya que muestra propiedades texturales y
mecánicas adecuadas en comparación con los materiales producidos con feldespato,
esto da lugar a una disminución en el consumo de energía relacionada con la producción
de feldespato. La desventaja de emplear este mineral es la mayor presencia de
impurezas y la falta de homogeneidad del tamaño de partícula inicial.
En la investigación realizada por Pazniak et al., (2018) se ha llevado a cabo el estudio del
potencial fundente de residuos de roca granítica y basaltos y su efecto sobre las
propiedades y la microestructura de un gres porcelánico. De los resultados de esta
investigación se puede concluir que los basaltos muestran el comportamiento térmico
Capítulo 3 17
más favorable, debido a la formación de una fase vítrea de baja viscosidad con una
temperatura inicial de sinterización de 1150–1160°C y que la adición del basalto en una
cantidad de 7.5% en peso en la formulación de una pasta de gres porcelánico, conduce a
un mejor comportamiento en cuanto a densificación y valores de absorción de agua por
debajo del 1%.
En muchos casos, las materias primas poseen alto contenido de óxido de hierro por lo
que son sometidas a tratamientos y acondicionamientos con el fin de reducir la cantidad
de este óxido colorante. Para esto se han utilizado diferentes técnicas físicas y químicas,
dentro de las cuales se pueden resaltar: Flotación de espuma, tamizado, separación por
gravedad, separación magnética, tratamientos con diferentes ácidos, entre otros. A
continuación se describen los tres tratamientos que han sido utilizados en este estudio.
3.2 Métodos para la eliminación de hierro
3.2.1 Tamizado
Es un proceso estadístico, esto es, existe siempre un elemento de probabilidad en cuanto
a si una partícula puede pasar o no a través de una abertura dada. Únicamente puede
conseguirse reproducibilidad, normalizando el tiempo y el método de tamizado. Al fin de
eliminar el elemento humano en el tamizado existen cierto número de dispositivos
mecánicos de agitación o vibración para la realización de los análisis de tamizado. Estos
soportan un juego de tamices de ensayos clasificados junto con un fondo y una tapa, y
vibran durante un tiempo dado en una forma reproducible, se accionan por medio de un
motor de potencia menor de un caballo (Singer, 1976, p. 325).
La determinación de tamaño de partículas, se efectúa comúnmente por tamizado (en
seco o en húmedo), siendo el tamizado en húmedo preferible al tamizado en seco debido
a que debe tenerse un gran cuidado de utilizar material realmente seco a fin de impedir
toda formación de bolas, en cuyo caso puede perder polvo. Utilizando una serie de
tamices de aberturas cuadradas, la progresión de aberturas entre los diversos tamices,
obedece a ciertas normas internacionales o de uso común. Los tamices normados son
construidos con diámetros y con grosores de alambres estándar y su abertura entre un
tamiz y el inmediatamente siguiente de la serie, tiene una razón de “raíz de 2”. Las
18 Desarrollo de un gres porcelánico incorporando arcillas colombianas sometidas a
un proceso de blanqueamiento
aberturas se expresan en mm (milímetros), micrones (milésimas de milímetro), en
pulgadas o en número de malla de las series Tyler (de aplicación frecuente), ASTM o a
veces USBS. Los tamices más finos empleados para tamizaje de productos de molienda
fina son de 200 mallas, 325 mallas, o rara vez, de 400 mallas por pulgada lineal,
equivalente a 37μm. El resultado de las determinaciones granulométricas, como los
pesos de las fracciones retenidas sobre un tamiz experimental, son tabulados y
frecuentemente, se calculan y tabulan los pesos acumulativos que pasan por o
alternativamente quedan encima de una malla determinada (Cari & Castro, 2014).
3.2.2 Sedimentación
Es el asentamiento en un medio fluido de partículas sólidas, bajo la fuerza de la
gravedad. Existen dos tipos de sedimentación: Sedimentación simple cuando las
partículas que se asientan son discretas, o sea partículas que no cambian de forma,
tamaño o densidad durante el descenso en el fluido y la sedimentación inducida cuando
las partículas que se sedimentan son aglomerables, o sea que durante la sedimentación
se aglutinan entre sí cambiando de forma, tamaño y aumentando de peso específico. La
sedimentación depende del hecho de que partículas de la misma densidad pero diferente
tamaño caen en el seno de agua a diferentes velocidades. Esto se expresa mediante la
ley de Stokes (Singer, 1976, p. 326):
𝑣 =2𝑔𝑟2
9∗
(𝜌𝑝 − 𝜌𝑙)
𝜂
Donde
𝑣 = velocidad de la partícula que cae
𝑟 = radio de la partícula
𝜌𝑝= densidad de la partícula
𝜌𝑙 = densidad del líquido
𝜂 = viscosidad del líquido
𝑔 = gravedad
Capítulo 3 19
La ley de Stokes se aplica a cuerpos esféricos de superficie lisa. Las partículas de arcilla
son discos aplastados. Los resultados obtenidos por aplicación de la ley de Stokes a la
sedimentación de arcillas son por lo tanto, radios equivalentes empíricos, es decir el radio
de una esfera que caería a la misma velocidad que la partícula de arcilla. (Singer, 1976,
p. 327).
Para un sólido en suspensión dado, y un medio líquido dado, a una temperatura
determinada (𝜌𝑝−𝜌𝑙)
𝜂 es constante y puede ser determinado. La fórmula se transforma
entonces en:
𝑣 = 𝐶 ∗ 𝑟2
La velocidad de caída de una partícula está dada también por la ecuación:
𝑣 = ℎ
𝑡
Donde ℎ es la altura que ha caído la partícula en el tiempo 𝑡. Si se sustituye esta
ecuación en la ecuación de Stokes, se obtiene la relación entre los radios equivalentes y
el tiempo, una vez fijada ℎ, esto es:
𝑟 = {9
2𝑔∗
ℎ
𝑡∗
𝜂
(𝜌𝑝 − 𝜌𝑙)}
1/2
Se han llevado a cabo diferentes investigaciones en donde utilizan diferentes métodos
tanto físicos como químicos para beneficiar materias primas, específicamente arcillas
caoliníticas y feldespatos, en donde dependiendo de las características de estas materias
primas unos procesos de beneficio sirven más que otros. Por ejemplo en la investigación
realizada por Barrachina et al., (2017), se utilizan los métodos físicos de tamizado,
sedimentación por hidrociclón y separación magnética para eliminar el hierro presente en
tres arcillas de origen español, obteniendo reducciones en el contenido de hierro de
hasta el 80% en peso. Con estas materias primas beneficiadas se han formulado
composiciones de pasta de gres porcelánico, las cuales son capaces de sustituir la
formulación estándar de gres porcelánico que es formulada con arcillas importadas.
20 Desarrollo de un gres porcelánico incorporando arcillas colombianas sometidas a
un proceso de blanqueamiento
En el estudio llevado a cabo por Laverde et al., (2004), se han aplicado procesos de
beneficio de separación magnética para eliminar los óxidos de hierro, y de flotación para
separar el cuarzo a una arena feldespática del municipio de Sardinata (Norte de
Santander - Colombia). Las pruebas de separación magnética se realizan con equipos de
baja intensidad en seco y alta intensidad en húmedo y en seco. Las pruebas de flotación
se llevan a cabo en una celda de flotación Denver, con tanques de acero inoxidable de 1,
2 y 3 litros. De los resultados obtenidos en esta investigación se puede concluir que se
obtienen mejores comportamientos en los procesos de separación magnética de alta
intensidad, tanto en seco como en húmedo y con el proceso de flotación, para la
separación del cuarzo, se logran buenos resultados.
En la investigación realizada por Llop et al., (2010), se han utilizado los métodos de
beneficio de tamizado a 63μm y 150μm, separación magnética mediante un imán
permanente de 0.6T y ataque ácido con HCl, con el objetivo de reducir su contenido en
óxidos cromóforos (Fe2O3, TiO2) de una arcilla de origen español. Las conclusiones
obtenidas en esta investigación resaltan que los tratamientos de beneficio utilizando
métodos físicos no son suficientes para lograr una reducción significativa del hierro,
mientras que el tratamiento químico si lo logra. Esto es debido a que el hierro se
encuentra formando parte de la estructura del propio mineral arcilloso, lo que hace difícil
la separación por medio de métodos físicos.
Pérez, et al., (2010), por su parte han beneficiado una arcilla caolinítica santandereana,
aplicando los métodos de beneficio de tamizado en húmedo, sedimentación y lixiviación
con el fin de eliminar la mayor cantidad posible de cuarzo y hierro. El proceso de
separación del cuarzo mediante tamizado y sedimentación no ha sido eficiente, dado que
éste presenta un tamaño de partícula muy fino, similar a la de las especies arcillosas. Sin
embargo, mediante lixiviación a 90°C con solución de ácido oxálico 0,4 M, se ha
eliminado cerca del 98% del hierro de la arcilla, lográndose el blanqueo de la misma.
3.2.3 Lixiviación
La palabra lixiviación viene del latín “Lixivia, -ae” que significa lejía, la cual hacía
referencia al agua caliente mezclada con cenizas, que se empleaba en las lavanderías
Capítulo 3 21
romanas para blanquear. La lixiviación según la RAE, (2019), está definida como la
acción y efecto de lixiviar, es decir, de tratar una sustancia compleja, como un mineral,
con un disolvente adecuado para separar sus partes solubles de las insolubles. La
lixiviación es una técnica ampliamente utilizada en metalurgia extractiva que convierte los
metales en sales solubles en medios acuosos.
Lixiviación por lotes
El procedimiento que se sigue normalmente para la lixiviación por lotes consiste en
formar un terraplén (lote) de 2 a 8 m de altura, con el material a tratar que inicialmente ha
sido triturado y curado. Sobre este lote y cubriendo toda su área, se instala un sistema de
riego por goteo y aspersores a través de los cuales se vierte una solución ácida o básica
de agua en las superficies de los lotes, este riego se hace generalmente por 45 a 60
días. Bajo los lotes de material a lixiviar se instala previamente una membrana
impermeable sobre la cual se dispone un sistema de drenaje que permite recoger las
soluciones que se infiltran a través del material.
Lixiviación con ácido oxálico
En los procesos de disolución del hierro se ha estudiado el método de lixiviación
utilizando ácidos tanto inorgánicos como orgánicos. Dentro de los ácidos orgánicos se
encuentra el ácido oxálico, el cual ha presentado una alta eficiencia en la lixiviación y
reducción del hierro cuando se utiliza en el proceso de beneficio de caolines, logrando
altos índices de blancura. Según Panias et al., (2000) el mecanismo de disolución de
óxidos de hierro en ácidos orgánicos se compone de tres etapas: (1) adsorción de
ligandos orgánicos en la superficie de óxido de hierro; (2) disolución no reductiva y (3)
disolución reductiva. A su vez, la disolución reductiva involucra dos etapas: Un periodo
de inducción y un periodo de autocatálisis. En soluciones poco acidas (pH < 3) los únicos
complejos iónicos bivalentes y trivalentes de hierro estables termodinámicamente
son:[𝐹𝑒2+(𝐶2𝑂4)2]2− y [𝐹𝑒3+(𝐶2𝑂4)2]3−. El ion 𝐹𝑒2+ puede ser identificado solo en
soluciones ácidas, mientras que el ion 𝐹𝑒3+ es muy probable que no se forme en
solución. En el rango de pH de 1 a 2 los complejos iónicos [𝐹𝑒3+(𝐶2𝑂4)2]− y [𝐹𝑒3+𝐶2𝑂4]+
[(𝐶2𝑂4)2]− y [𝐹𝑒𝐶2𝑂4]
+ son estables, mientras que a pH menores que 1, el
[𝐹𝑒3+𝐻(𝐶2𝑂4)2]2+ es el único que se forma.
22 Desarrollo de un gres porcelánico incorporando arcillas colombianas sometidas a
un proceso de blanqueamiento
Según Lee et al., (2006) la disolución de hematita con ácido oxálico ocurre a través de la
oxidación de oxalato y la reducción de hematita, que puede ser expresada como se
muestra a continuación:
𝐻+ + 𝐹𝑒2𝑂3 + 5𝐻𝐶2𝑂4− = 2𝐹𝑒(𝐶2𝑂4)2
2− + 3𝐻2𝑂 + 2𝐶𝑂2
En los tratamientos de beneficio por métodos químicos se han utilizado ácidos
inorgánicos, orgánicos y reactivos complejantes para el beneficio de materias primas y la
disolución del hierro. Dentro de los ácidos y reactivos utilizados se pueden destacar las
investigaciones realizadas por González, (2006); Llop et al., (2010) y Orosco et al.,
(2010), quienes utilizan el ácido clorhídrico. Hernández et al., (2016), trabajan con el
ácido fosfórico. Muñoz, (2010), analiza el uso el ditionito de sodio. Veglio, (1997) estudia
el efecto de tiourea en ácido sulfúrico. Varadachari et al., (2006), observa el desempeño
del ditionito-citrato-bicarbonato. Estas investigaciones han sido realizadas sobre arcillas
caoliníticas y se centran en los mecanismos de disolución de la hematita, utilizando
diferentes condiciones químicas y experimentales. Los resultados experimentales de
todas estas investigaciones muestran una gran mejora en el color de las arcillas,
obteniendo una notable blancura.
El ácido oxálico es uno de los ácidos más utilizados para el blanqueamiento de arcillas
en donde se pueden resaltar las investigaciones realizadas por Baba et al., (2015);
Legorreta et al., (2015); Mandal et al., (2013); Nwoye, (2010); Ocampo et al., (2013);
Taran, (2015) y Vapur et al., (2016). En estos estudios se ha investigado el nivel de
mejora en la blancura de caolines mediante lixiviación con ácido oxálico, teniendo en
cuenta parámetros como, la concentración de ácido, la temperatura de reacción, el
tiempo de agitación y el tamaño de partícula. De estas investigaciones se puede concluir
que el ácido oxálico, es eficaz para la eliminación de hierro y que la blancura del mineral
aumenta al aumentar la concentración de ácido, la temperatura de reacción y al disminuir
el tamaño de partícula.
Capítulo 3 23
3.3 Técnicas de caracterización de las materias primas
El conocimiento de la influencia de las características físicas, químicas y mineralógicas
sobre las propiedades de las diferentes materias primas empleadas en la fabricación de
pastas de gres porcelánico, permite comprender mejor su comportamiento ante las
diferentes etapas del proceso de fabricación. A continuación, se realiza una descripción
de las técnicas de caracterización que se han utilizado en este estudio y que han
permitido determinar las características anteriormente mencionadas, de las materias
primas utilizadas.
3.3.1 Fluorescencia de rayos X
El análisis químico de las materias primas permite conocer cuáles son los elementos
presentes y en qué proporción se encuentran, es una herramienta útil para el control de
las variaciones que se producen en la composición de una materia prima. La técnica de
fluorescencia de rayos X, es el método más utilizado para determinar la composición
química de los materiales cerámicos. Esta técnica se basa en determinar la intensidad y
longitud de onda de las radiaciones electromagnéticas emitidas por los elementos
químicos (radiaciones secundarias o fluorescentes) cuando esos son sometidos a un haz
de rayos X de alta energía (rayos X primarios). Las longitudes de onda de las radiaciones
secundarias o fluorescentes son características de los elementos que las emiten y se
deben a los cambios electrónicos que sufren los electrones de las capas más internas
cuando son irradiados por una radiación electromagnética de alta energía. Los resultados
del análisis químico de cualquier sustancia se expresan normalmente en óxidos y para
los materiales cerámicos se suelen presentar 8 principales: Dióxido de silicio (SiO2),
trióxido de aluminio (Al2O3), dióxido de titanio (TiO2), trióxido de hierro u óxido férrico
(Fe2O3), óxido de calcio (CaO), óxido de magnesio (MgO), óxido de sodio (Na2O) y óxido
de potasio (K2O). Del resultado del análisis químico, que se da en forma de porcentaje en
peso de los óxidos, se puede obtener la siguiente información (Barba et al., 2002, p. 131-
132):
%SiO2: Su valor es indicativo del porcentaje de sílice libre o cuarzo que posee la
muestra.
%Al2O3: Normalmente su valor está relacionado con la proporción de mineral arcilloso y
feldespato.
24 Desarrollo de un gres porcelánico incorporando arcillas colombianas sometidas a
un proceso de blanqueamiento
%CaO: El calcio se encuentra normalmente en forma de carbonatos alcalinotérreos
(calcita y dolomita)
%MgO: Este óxido se asocia a la presencia de dolomita y clorita
%K2O: Indica la presencia de illita, mica o feldespato potásico.
%Na2O: Indica la presencia de feldespato sódico.
Pérdida por calcinación: Normalmente se debe a la descomposición de los minerales
arcillosos y los carbonatos y, en menor medida, a la combustión de la materia orgánica.
A pesar de la información que proporciona evaluar el tipo y cantidad de elementos
presentes en una muestra, la identificación y cuantificación de los minerales presentes
tiene una mayor utilidad en la industria cerámica. Muchas propiedades de las arcillas y
las otras materias primas cerámicas, dependen del tipo y de proporción de los varios
minerales que los componen, por lo que la identificación de estos minerales es de una
importancia fundamental.
3.3.2 Difracción de rayos X
Las materias primas empleadas en la fabricación de baldosas cerámicas, están
compuestas normalmente por diferentes especies mineralógicas que se han mezclado
íntimamente durante el proceso de formación. Debido a ello, sus propiedades dependen
de la naturaleza de los minerales presentes, de su estado de degradación y de las
proporciones en las que éstos se encuentran. El método más utilizado para determinar la
mineralogía de las materias primas cerámicas es la difracción de rayos X. Este método
posibilita la identificación de los minerales presentes y las características cristaloquímicas
de dichos minerales. La técnica consiste en hacer incidir un haz de rayos X, previamente
colimado y de longitud de onda conocida, sobre una fina lámina de polvo, que gira en el
centro de un goniómetro. Como consecuencia de ello, la radiación X incidente en la
muestra, oportunamente filtrada de modo de poder obtener la monocromaticidad,
interacciona con el retículo cristalino de la misma, dando lugar a configuraciones de
difracción que se correlacionan, por la ecuación de Bragg: 𝑛𝜆 = 2𝑑𝑠𝑒𝑛𝜃, donde, 𝜆 es la
longitud de onda de los rayos X, 𝜃 es el ángulo de difracción (medido con respecto a los
planos de difracción), 𝑑 es la separación entre planos y 𝑛 es el orden de reflexión.
Capítulo 3 25
El fenómeno de la difracción de rayos X puede ser producido en diferentes modalidades
y permite obtener información del ordenamiento cristalino de los materiales. Entre los
instrumentos de laboratorio basados en esta técnica, se encuentra el difractómetro de
polvo, en el que un detector rota en sincronía con el ángulo 𝜃 rotado entre el haz de
rayos X incidente y la muestra en polvo plana, de modo que, si la muestra rota un ángulo
el detector rota 2𝜃 en esta geometría, la superficie de la muestra forma ángulos iguales
con el haz incidente y el haz difractado. El gráfico obtenido se denomina difractograma y
es una representación de la intensidad de radiación difractada (𝐼) en función del ángulo
(𝜃) de incidencia. En un difractograma aparecen las líneas de difracción
correspondientes a cada uno de los minerales presentes. Las intensidades de estas
líneas (expresadas en número de cuentas), aunque dependen en gran medida del grado
de cristalinidad y de la especie mineralógica, pueden proporcionar una idea aproximada
del contenido en un determinado mineral en la muestra analizada. (Barba et al., 2002, p.
133).
A partir del análisis químico y del análisis mineralógico de una materia prima, se pude
calcular, de una forma aproximada, el contenido en forma porcentual de cada uno de los
minerales. Este método de cálculo se denomina análisis racional y consiste en asignar a
las distintas especies mineralógicas presentes, identificadas mediante DRX, los
porcentajes de óxidos obtenidos a partir del análisis químico.
3.3.3 Microscopia electrónica de barrido (MEB)
Las propiedades mecánicas de las baldosas de gres porcelánico están muy influenciadas
por la microestructura que éstas adquieren durante el proceso de sinterización. (Dondi et
al., 1999). Una de las técnicas más utilizadas para observar la microestructura de los
materiales cerámicos, es la microscopía electrónica de barrido, esta técnica utiliza un
microscopio electrónico de barrido en el cual se hace incidir un delgado haz de
electrones acelerados, con energías desde unos cientos de eV hasta unas decenas de
keV, sobre una muestra gruesa, opaca a los electrones. Este haz se focaliza sobre la
superficie de la muestra de forma que realiza un barrido de la misma, siguiendo una
trayectoria de líneas paralelas.
26 Desarrollo de un gres porcelánico incorporando arcillas colombianas sometidas a
un proceso de blanqueamiento
La interacción del haz de electrones con la muestra produce diversas señales (electrones
secundarios, electrones retrodispersados, emisión de rayos X, etc.), que son recogidas
por distintos detectores, permitiendo obtener información topográfica, estructural y
química de la muestra. Los electrones secundarios, son electrones de baja energía que
resultan de la emisión por parte de los átomos constituyentes de la muestra, debido a la
colisión con el haz incidente, con estos electrones se obtiene una imagen de apariencia
tridimensional de la muestra, aportando información topográfica, en donde las zonas más
brillantes corresponden a montículos y las zonas más oscuras a valles. Los electrones
retrodispersados, son electrones del haz incidente que han interaccionado (colisionado)
con los átomos de la muestra y han sido reflejados. Una imagen originada por los
electrones retrodispersados brinda información estructural y la intensidad de emisión de
estos electrones está directamente relacionada con el número atómico medio de los
átomos de la muestra, en donde las zonas más brillantes corresponden a elementos
pesados y las zonas más oscuras a elementos livianos. En cuanto a la emisión de rayos
X: Cuando los electrones de niveles internos son expulsados por la interacción de los
electrones primarios, hay transiciones entre los niveles de energía con emisión de rayos
X, esta energía y longitud de onda están relacionadas con la composición elemental de la
muestra, permitiendo realizar análisis químicos mediante espectroscopia por dispersión
de energía y de longitud de onda (EDS y WDS por sus siglas en inglés).
3.3.4 Microscopía de calentamiento
Cuando una materia prima cerámica se calienta sufre diferentes transformaciones físicas
y químicas que pueden dar lugar a toda una serie de variaciones en la forma y
dimensiones de la probeta ensayada. La microscopía de calentamiento que hace uso del
microscopio de calefacción permite la observación de las variaciones morfológicas y
dimensionales que sufre una materia prima al ser calentada, en donde se puede
determinar los intervalos de temperatura en los que se produce la contracción y fusión de
la materia prima estudiada, lo mismo que la evolución de la viscosidad. Es un
procedimiento útil para evaluar la aptitud de las materias primas fundentes como los
feldespatos para ser utilizadas en las formulaciones de pasta de gres porcelánico, dado
que identifica una serie de formas y temperaturas características que son claves para la
optimización de los procesos de fabricación. Las temperaturas características que el
Capítulo 3 27
sistema puede identificar automáticamente son el comienzo de la sinterización, el
ablandamiento, la esfera, la media esfera y la fundición/fusión. A continuación se
describe cada una de ellas:
Sinterización
En esta fase las dimensiones de la muestra se reducen, pero no cambia de forma. La
temperatura en la que la muestra presenta variación en sus dimensiones corresponde a
la temperatura de sinterización.
Ablandamiento
En esta fase ya se empieza a notar un cambio en la forma de la muestra, presentando un
redondeo de los ángulos y una atenuación de la rugosidad en la parte superior. Este
cambio de forma se da cuando las fases líquidas que se forman en la muestra emergen a
la superficie.
Esfera
Tiene su nombre por la semejanza que tiene la muestra a esta temperatura con una
esfera, en donde su forma está controlada por la tensión superficial. A esta temperatura
la muestra está constituida principalmente por fases líquidas.
Media Esfera
Esta temperatura se obtiene cuando la altura de la muestra corresponde a la mitad de la
anchura de la base.
Fusión
En esta fase la muestra está completamente fundida y su temperatura se establece
cuando la altura de la muestra se encuentra por debajo de un tercio de la altura inicial y
la relación entre la base de la muestra y la altura supera un valor máximo.
28 Desarrollo de un gres porcelánico incorporando arcillas colombianas sometidas a
un proceso de blanqueamiento
3.3.5 Espectrofotometría UV–Visible en la modalidad de reflectancia difusa
El color de los soportes cerámicos después de ser sometidos a cocción es una de las
propiedades que más interesa en la industria cerámica, pues el color en cocido permite
clasificar el producto cerámico en productos de pasta blanca y productos de pasta roja. El
color en cocido de las materias primas depende fundamentalmente de su contenido de
minerales de hierro, no obstante, la presencia de otros elementos cromóforos, como el
titanio, el ambiente oxidante o reductor del horno, el grado de cocción, el tipo de fases
que se generen y la presencia de compuestos solubles, son factores que influyen en el
color final obtenido. Uno de los métodos de análisis para determinar el color en la
industria cerámica es la espectrofotometría UV–Visible en la modalidad de reflectancia
difusa.
La espectrofotometría UV-visible se fundamenta en la absorción electrónica de la
radiación electromagnética cuando esta interacciona con la materia en el rango de
longitudes de onda entre 190nm y 800nm. La reflectancia difusa se define como la
fracción de radiación incidente que es reflejada en todas las direcciones por la muestra.
El espectro resultante se suele obtener como un porcentaje de reflectancia frente a la
longitud de onda, fijando como 100% de reflectancia, la obtenida para una muestra de
referencia que no absorba luz en el rango de longitudes de onda utilizado (Gomez, 2013).
El espacio de color CIE 1976 L*, a* y b* también llamado CIELAB, es uno de los espacios
de color uniformes definidos por la comisión internacional de iluminación (CIE por sus
siglas en inglés) en 1976. Es actualmente uno de los espacios más populares para medir
el color de los objetos y se utiliza ampliamente en casi todos los campos. Este espacio de
color se basa en representar en coordenadas rectangulares las magnitudes L*, a* y b*.
La unidad de medida es una estimación de la diferencia de color mínima que puede
detectar el ojo humano. En este espacio, L* indica luminosidad y a* y b* son las
coordenadas de cromaticidad. L* = 100 indica blanco: L* = 0 indica negro, a* y b* indican
direcciones de colores: +a* es la dirección del rojo, -a* es la dirección del verde, +b* es la
dirección del amarillo y -b* es la dirección del azul. El centro es acromático; a medida que
los valores de a* y b* aumentan y el punto se separa del centro, la saturación del color se
incrementa.
Capítulo 3 29
3.4 Proceso de fabricación del gres porcelánico
El gres porcelánico es el resultado de un proceso de producción, el cual, en términos
generales, es muy similar al utilizado en la fabricación de cualquier producto cerámico.
En la figura 3-2 se muestra un diagrama del proceso de fabricación del gres porcelánico y
a continuación, se describe cada etapa del ciclo de producción (dosificación y mezcla,
molienda, atomización, prensado, secado, esmaltado y decoración, cocción y
clasificación).
Figura 3-2 Diagrama del proceso de fabricación del gres porcelánico
3.4.1 Dosificación y mezcla
Esta primera etapa del proceso de fabricación de un producto cerámico, específicamente
de un gres porcelánico, inicia con la selección de las materias primas que van a hacer
utilizadas en la composición de la pasta, las cuales han sido previamente explotadas de
mina. Independientemente del sistema utilizado en la producción, para la fabricación de
cualquier producto cerámico se parte de una mezcla de materias primas, denominada
comúnmente pasta, la cual sufre diversas transformaciones fisicoquímicas hasta alcanzar
las propiedades requeridas por el producto acabado. Una vez se tienen seleccionadas
las materias primas a utilizar, se procede a la dosificación y mezcla de estas materias
primas como se muestra en la figura 3-3, lo que da origen a la composición final de la
pasta de gres porcelánico.
DOSIFICACIÓN Y MEZCLA
MOLIENDA ATOMIZACIÓN PRENSADO
SECADO ESMALTADO Y DECORACIÓN
COCCIÓN CLASIFICACIÓN
30 Desarrollo de un gres porcelánico incorporando arcillas colombianas sometidas a
un proceso de blanqueamiento
Figura 3-3 Proceso de dosificación y mezcla
3.4.2 Molienda
Una vez realizada la mezcla, ésta es sometida a un proceso de molturación, la cual es la
etapa que permite reducir las dimensiones de los materiales. Para la producción del gres
porcelánico se utiliza generalmente la molienda en húmedo porque permite alcanzar
tamaños de partícula más finos, que permitirá incrementar la reactividad de las partículas
con la temperatura y obtener un material más homogéneo. En esta etapa la mezcla ya
dosificada de las diferentes materias primas es introducida en un molino de bolas que
puede ser continuo como el que se muestra en la figura 3-4, o discontinuo, junto con
agua y un aditivo que permite su defloculación, la relación entre sólido y agua se
encuentra generalmente entre 70% y 30% respectivamente.
Figura 3-4 Proceso de molienda
Capítulo 3 31
El tiempo de molienda debe ser el suficiente para alcanzar una granulometría con un
residuo sobre malla 230 entre 0,5% y 1%. A la suspensión resultante se le llama
barbotina, la cual debe poseer una densidad y viscosidad adecuada. Después de la
molienda la barbotina se pasa por una serie de tamices para eliminar el material grueso
que pudo haber quedado y posteriormente es almacenada en balsas.
3.4.3 Atomización
Es la etapa que permite obtener a partir del material acuoso (barbotina) de la etapa de
molienda, un material con un contenido de humedad controlado, con una forma y
granulometría ideal que permite un correcto llenado de las prensas. El equipo utilizado en
esta etapa es un atomizador como el que se muestra en la figura 3-5, en el cual la
barbotina procedente de las balsas de almacenamiento, es bombeada por medio de
bombas de pistón al sistema de pulverización en donde como su nombre lo indica la
barbotina es pulverizada en finas gotas y al entrar en contacto con aire caliente se
obtiene un material sólido llamado gránulo el cual es más o menos esférico, hueco en su
interior, con características muy uniformes y con una humedad entre el 6% y el 7%. Una
vez obtenido el producto atomizado, este es descargado en silos de almacenamiento en
donde permanece por aproximadamente 24 horas.
Figura 3-5 Proceso de atomización
32 Desarrollo de un gres porcelánico incorporando arcillas colombianas sometidas a
un proceso de blanqueamiento
3.4.4 Prensado
Una vez pasado el tiempo en los silos de almacenamiento, el material granulado
mediante un sistema de alimentación con cintas transportadoras es dirigido a la etapa de
conformado, el cual se realiza por prensado unidireccional en seco, utilizando prensas
hidráulicas como la que se muestra en la figura 3-6. En esta etapa el polvo atomizado se
comprime entre dos superficies a presiones entre 350 y 500 kg cm–2. Tales presiones
causan reacomodo y deformación parcial en el polvo, lo que permite un alto grado de
compactación en la pieza prensada.
Figura 3-6 Proceso de prensado
3.4.5 Secado
El proceso de secado tiene la función de eliminar el agua de la pieza prensada, la cual
fue necesaria en el momento de su moldeo. Esta eliminación se hace por evaporación es
decir por conversión del agua del estado líquido al estado de vapor, para esto las piezas
conformadas se introducen en secaderos continuos que pueden ser horizontales como el
que se muestra en la figura 3-7 o verticales, con el fin de reducir su humedad hasta
niveles por debajo de 0,5% lo que permite que aumente la resistencia mecánica, que
servirá para su transporte a las demás etapas del proceso cerámico.
Capítulo 3 33
Figura 3-7 Proceso de secado
3.4.6 Esmaltado y decoración
Las piezas recién salidas del secadero se recubren con una o varias capas de engobe,
esmalte y tintas. La aplicación del esmalte sobre el soporte se hace mediante diferentes
técnicas pero la más común es la de campana, mientras que la aplicación de las tintas se
aplica en su mayoría por inyección, como se muestra en la figura 3-8.
Figura 3-8 Proceso de esmaltado
3.4.7 Cocción
La cocción es la etapa más importante del proceso de producción de cualquier producto
cerámico, ya que es el momento en el que las piezas, previamente moldeadas, sufren
una modificación fundamental en sus propiedades, dando lugar a un material duro,
34 Desarrollo de un gres porcelánico incorporando arcillas colombianas sometidas a
un proceso de blanqueamiento
resistente al agua y a los productos químicos. La cocción del producto se realiza en
hornos monoestrato de rodillos como el que se muestra en la figura 3-9.
Figura 3-9 Proceso de cocción
3.4.8 Clasificación
En esta etapa las piezas cocidas son sometidas a procesos de control de calidad,
también denominado clasificación (figura 3-10), seguido de esto las piezas se embalan
utilizando cartón, palets y polietileno. Una vez conformado el palet, se almacena en la
zona de logística de la planta para poder ser distribuido.
Figura 3-10 Proceso de clasificación
4. Procedimiento experimental
Para llevar a buen término este estudio y cumplir con los objetivos planteados, la
metodología se ha dividido en seis fases, las cuales se han desarrollado por una serie de
actividades. En la figura 4-1 se muestra un diagrama en donde se describen las fases y
las actividades desarrollas en cada una de ellas.
Figura 4-1 Descripción de las fases del procedimiento experimental
4.1 Fase 1. Selección materias primas
En esta etapa se han seleccionado materias primas pertenecientes a los departamentos
de Boyacá, Cundinamarca y Santander, que contaban con minas activas y de las cuales
algunas de ellas son actualmente usadas en la fabricación de soportes cerámicos de
coloración roja. Dentro de estas materias primas se encuentran cuatro arcillas caoliníticas
identificadas como AO, AR, AS y AT, una puzolana natural identificada como PZ, un
Fase 1
Selección materias primas
Boyacá, Cundinamarca y Santander
Minas activas
Actualmente utilizadas
Fase 2
Caracterización materias primas
originales
Análisis Químico (FRX)
Análisis Mineralógico
(DRX)
Análisis Colorimétrico
Análisis Cerámico
Fase 3
Aplicación tratamientos de
beneficio
Tamizado
Sedimentación
Lixiviación
Fase 4
Caracterización materias primas
beneficiadas
Análisis Químico (FRX)
Análisis Mineralógico
(DRX)
Análisis Colorimétrico
Análisis Cerámico
Fase 5
Desarrollo y caracterización formulaciones
Selección materias primas
Formulación de pasta
Análisis Cerámico
Fase 6
Definición condiciones de procesamiento
Selección mejor
formulación
Análisis de resultados
Definición condiciones
36 Desarrollo de un gres porcelánico incorporando arcillas colombianas sometidas a
un proceso de blanqueamiento
feldespato identificado como FD y dos materias primas que son usadas como fundentes:
Nefelina identificada como NF y vidrio reciclado identificado como VR.
4.2 Fase 2. Caracterización materias primas
4.2.1 Caracterización química
Para esta caracterización se ha utilizado un espectrómetro de fluorescencia de rayos X,
marca Bruker-AXS, modelo S4 Explorer, equipado con un ánodo de Rodio, potencia de 4
kW. La preparación de las muestras ha sido: Cada una de las materias primas es secada
a 110ºC, una vez secas, se añade a cada una de las muestras un 27% en peso de ácido
bórico el cual actúa como agente compactante, seguido de esto se realiza una
molturación y homogenización en un molino de anillos, para luego realizar el prensado en
forma de pastillas circulares y así realizar la medición en el equipo previamente calibrado.
4.2.2 Caracterización mineralógica
Para esta caracterización se ha utilizado un equipo de difracción de rayos X (DRX),
marca Bruker, modelo D4 Endeavor, equipado con un ánodo de cobre, con un rango
variable de grados 2θ, con pasos de 0,05º y 3s, a través del método de distribución de
muestras en polvo al azar. Las condiciones de trabajo han sido: Intensidad de 30 mA,
voltaje de 40 kV, intervalo típico de 2θ de 2 a 60°, velocidad de 2°/min. Para la
identificación y análisis mineralógico de forma cualitativa se utilizó el software X’pert High
Score y base de datos PDF2. Para el análisis cuantitativo se ha utilizado un análisis
racional.
4.2.3 Caracterización microestructural
Para esta caracterización se ha utilizado un microscopio electrónico de barrido, marca
JEOL, modelo 7001F, dotado de un espectrómetro para la realización del microanálisis
mediante dispersión de energías de rayos X (EDX) de Oxford y un programa informático
INCA 350/Wave 200. El análisis por microscopía electrónica de barrido se ha llevado a
cabo teniendo en cuenta las siguientes características: Aumentos X300, voltaje 15 kV,
detector de retrodispersados y distancia de trabajo 10 m.
Capítulo 4 37
4.2.4 Caracterización cerámica
Para esta caracterización se sigue el siguiente procedimiento: Molturación en un molino
planetario como el que se muestra en la figura 4-2, con un 60% en peso de sólidos, un
40% en peso de agua y un 0,7% en peso de defloculante, obteniendo densidades en las
barbotinas de 1,70 g cm–3, con el tiempo necesario para alcanzar residuos menores al
1% después de ser pasadas por un tamiz de 63μm.
Figura 4-2 Molinos planetarios
La barbotina obtenida de cada materia prima ha sido secada en un horno o estufa de
secado, como el que se muestra en la figura 4-3, a 110ºC durante 24 horas.
Figura 4-3 Estufa de secado
38 Desarrollo de un gres porcelánico incorporando arcillas colombianas sometidas a
un proceso de blanqueamiento
Con las barbotinas ya secas y para simular las condiciones industriales de prensado,
cada una de estas ha sido homogenizada y humectada con agua al 7% en peso, para
luego ser prensadas uniaxialmente a 350 kg cm–2 durante 3 segundos, con un molde
rectangular de 30 x 80 mm. Usando una prensa de laboratorio uniaxial marca Nannetti,
modelo SS/EA como la que se muestra en la figura 4-4.
Figura 4-4 Prensa uniaxial
Las piezas obtenidas se secan en una estufa de secado a 110°C hasta peso constante y
luego son cocidas en un horno de gradiente de seis cámaras marca Nannetti, modelo
GR-98 como el que se muestra en la figura 4-5, usando cada cámara con una
temperatura diferente. Se han utilizado seis temperaturas 1100°C, 1120°C, 1140°C,
1160°C, 1180°C y 1200°C.
Figura 4-5 Horno de gradiente de seis cámaras
Capítulo 4 39
Densidades aparentes
Este análisis ha sido realizado mediante el principio de Arquímedes, utilizando para ello
una cubeta con mercurio, ya que su elevada tensión superficial impide su penetración a
través de la porosidad abierta de las piezas. En la figura 4-6 se muestra la cámara de
medida de esta propiedad.
Figura 4-6 Cámara de medida de densidades aparentes
Absorción de agua
La determinación de la absorción de agua se ha llevado a cabo siguiendo la normativa
UNE-EN ISO 10545-3. Para la obtención de este parámetro a cada probeta cocida y
completamente seca se le toma su peso y luego se sumerge en agua hirviendo durante 2
horas utilizando un baño termostático SBS TBN-12-100 como el que se muestra en la
figura 4-7.
Figura 4-7 Baño termostático
40 Desarrollo de un gres porcelánico incorporando arcillas colombianas sometidas a
un proceso de blanqueamiento
Posteriormente cada probeta es pesada nuevamente y se obtiene el dato de acuerdo a la
siguiente ecuación:
Absorción de agua = Peso probeta sumergida en agua − Peso probeta cocida seca
Peso probeta cocida seca× 100%
Contracción lineal
El cálculo de la contracción en cocido a cada temperatura se hace midiendo la longitud
de las probetas cocidas tomando como base la norma técnica ISO 10545-2, utilizando un
calibrador vernier LCD digital como el que se muestra en la figura 4-8. Esta variable se
determina por medio de la siguiente ecuación:
Contracción Lineal = Longitud probeta en seco − Longitud probeta en cocido
Longitud probeta en seco× 100%
Figura 4-8 Calibrador vernier LCD digital
Resistencia a la flexión
Para de la resistencia a la flexión en cocido a cada temperatura se toma como base la
norma técnica ISO 10545-4. Esta variable se determina utilizando un equipo ME-3 como
el que se muestra en la figura 4-9. El cálculo de la resistencia se realiza mediante la
siguiente ecuación:
σ = 3 Fd
2bh2 N
mm2⁄
Donde:
𝐹 = Carga de rotura de la tableta (N)
𝑑 = Longitud de los apoyos (mm)
Capítulo 4 41
𝑏 = Largo de la tableta (mm)
ℎ = Espesor de la tableta (mm)
Figura 4-9 Equipo ME-3
4.2.5 Caracterización colorimétrica
Las propiedades de color se miden mediante espectrofotometría UV–Vis en la modalidad
de reflectancia difusa. Para esto se ha utilizado un espectrofotómetro marca Konica
Minolta, modelo “CM–3600d” como el que se muestra en la figura 4-10, utilizando como
iluminante el D65, y un observador Standard 10º. Las coordenadas cromáticas utilizadas
han sido las correspondientes al sistema CIE L*a*b*.
Figura 4-10 Espectrofotómetro Konica Minolta CM–3600d
42 Desarrollo de un gres porcelánico incorporando arcillas colombianas sometidas a
un proceso de blanqueamiento
4.3 Fase 3. Aplicación tratamientos de beneficio
En esta fase se han aplicado los diferentes tratamientos de beneficio a cada una de las
materias primas que según el análisis químico presentan contenidos de óxido de hierro
por encima del 1%. Los tratamientos para la eliminación del hierro e impurezas han sido:
Tamizado a 100μm y 150μm, sedimentación libre y lixiviación por lotes con ácido oxálico.
En la figura 4-11 se muestra un diagrama en donde se describe el procedimiento seguido
para cada uno de los tres tratamientos.
Figura 4-11 Diagrama de los tres tratamientos de beneficio.
4.4 Fase 4. Caracterización materias primas beneficiadas
En esta fase se ha llevado a cabo la caracterización de las materias primas beneficiadas
utilizando las mismas técnicas y procedimientos descritos anteriormente para caracterizar
las materias primas originales, con el fin de conocer los cambios sufridos en las materias
primas después de cada uno de los tratamientos. Por lo que se ha realizado nuevamente
una caracterización química por fluorescencia de rayos X, para establecer la cantidad de
óxidos colorantes removida, una caracterización mineralógica por medio de difracción de
rayos X, con el fin de determinar las fases presentes después de aplicar los tratamientos
TAMIZADO EN HÚMEDO
•Preparación de barbotinas: 50% sólidos, 50% agua, 0,58 % defloculante.
•Desleído: Agitador mecánico de laboratorio por un tiempo de 30 minutos.
•Tamizado: Tamices de 100μm y 150μm.
•Lavado con agua hasta obtener rechazos de distinta granulometría.
SEDIMENTACIÓN LIBRE
•Vasos de precipitado de 500 mL.
•Mezcla de cada materia prima con agua mediante agitación mecánica.
•Tiempo de sedimentación de 120 minutos.
•Separación de la fracción sólida suspendida por medio del sistema sifón.
LIXIVIACIÓN
POR LOTES
•Formación de lotes de tratamiento con 5 kg de cada materia prima.
•Riego por aspersión con una disolución de 0,4M de ácido oxálico por 60 días. (Tiempo de maduración de las arcillas explotadas en minas).
•Movimiento mecánico para permitir la ventilación y homogenización.
Capítulo 4 43
de beneficio, una caracterización colorimétrica para observar el cambio de color y una
caracterización cerámica para determinar si las propiedades técnico-cerámicas son
afectadas por la aplicación de los tratamientos de beneficio.
4.5 Fase 5. Desarrollo de formulaciones de pasta de gres porcelánico
En esta fase se han seleccionado las materias primas con los mejores resultados en
cuanto a la disminución significativa del hierro y en cuanto a comportamiento cerámico,
que junto a las arcillas que no son beneficiadas y a las materias primas fundentes, se han
desarrollado composiciones de pasta de gres porcelánico, con la idea que cumplan en
cada una de las etapas del proceso cerámico con las características técnicas requeridas.
Inicialmente se desarrollaron cinco formulaciones de composiciones de pasta de gres
porcelánico utilizando las materias primas nacionales que no han sido beneficiadas y las
materias primas que han obtenido el mejor resultado en cuanto a la disminución
significativa del hierro, es decir las del tratamiento de blanqueamiento más efectivo.
Tomando como base estas primero cinco formulaciones y con la idea de mejorar la
reactividad, se desarrollaron otras cuatro formulaciones de composiciones de pasta de
gres porcelánico en las cuales se ha sustituido el feldespato potásico FD en su totalidad
por la puzolana natural PZ y por compuestos como la nefelina NF y el vidrio reciclado VR.
Con la idea de darle estabilidad a la pasta y bajar la contracción, se han desarrollado dos
formulaciones más de composiciones de pasta de gres porcelánico, incorporando
materias primas que cumplen con esta función, como lo es la arena sílice y el chamote
cerámico, con el fin de analizar su influencia en el proceso, además de permitir su
reutilización y aprovechar así los residuos del sector cerámico.
4.6 Fase 6. Definición condiciones de procesamiento
Con los resultados obtenidos anteriormente, se ha seleccionado la mejor composición de
pasta de gres porcelánico y se han establecido las condiciones de proceso que se deben
configurar para obtener un producto con características uniformes y con las mejores
prestaciones tecnológicas en cada una de las etapas del proceso cerámico: Molienda,
prensado y cocción.
5. Resultados y Discusión
5.1 Resultados
La presentación de resultados se hace con base en las actividades desarrolladas en
cada una de las fases presentadas en el procedimiento experimental.
5.1.1 Selección materias primas
Las materias primas utilizadas para la realización de este estudio, pertenecen a
diferentes unidades geológicas de los departamentos de Boyacá, Cundinamarca y
Santander. En la figura 5-1 se observa el mapa de Colombia en donde se resaltan los
departamentos donde pertenecen las materias primas utilizadas.
Figura 5-1 Localización de las materias primas
Algunas de estas materias primas son actualmente usadas en la fabricación de soportes
cerámicos de coloración roja. Dentro de estas materias primas se encuentran cuatro
Capítulo 5 45
arcillas caoliníticas, de las cuales dos son consideradas como arcillas blancas,
identificadas como AO y AT y dos consideradas como arcillas rojas, identificadas como
AR y AS, una puzolana natural identificada como PZ. En la tabla 5-1 se pueden observar
las materias primas utilizadas, así como su respectiva identificación en el texto.
Tabla 5-1 Materias primas utilizadas y su identificación en el texto
Nombre
comercial Identificación Departamento Municipio Unidad geológica
Arcilla Oiba AO Santander Oiba Depósito Cuaternario
Arcilla MER AT Boyacá Tunja Formación Tilatá
Arcilla Rivera AR Cundinamarca Nemocon Formación Bogotá
Arcilla Sarmiento AS Cundinamarca Cogua Formación Bogotá
Puzolana PZ Boyacá Paipa Andesitas del
Terciario
Se han utilizado como materias primas fundentes: Un feldespato identificado en el texto
como FD, comercializado por la empresa Cerámicos Asociados; una nefelina identificada
en el texto como NF comercializada por la empresa Suministros Industriales; y vidrio
reciclado de naturaleza sódico-cálcica identificado en el texto como VR, comercializado
por la empresa Camacho Recycling (Caudete-Albacete).
Como se puede observar en la tabla 5-1, las materias primas utilizadas pertenecen a
varias unidades geológicas que presentan características litológicas diferentes, las cuales
se describen a continuación:
Depósitos cuaternarios (Qd)
Según la reseña explicativa del mapa geológico preliminar de la plancha 151 Charalá,
Pulido, (1985) identifica los depósitos como un cuaternario de derrubio, el cual reposa de
forma discordante sobre las rocas de las formaciones Cumbre y Rosablanca del
46 Desarrollo de un gres porcelánico incorporando arcillas colombianas sometidas a
un proceso de blanqueamiento
Cretácico inferior en el Anticlinal de Cerro Negro. En el área de la muestra AO la unidad
está constituida por un conjunto de arcillolitas caoliníticas de color blanco a gris claro,
estratificadas horizontalmente en capas muy gruesas de 5 m de espesor, presentan
laminación plano paralela, de carácter plástico; a nivel lateral las capas tienen
variaciones en sus espesores.
Formación Tilatá
La Formación Tilatá, Scheibe, (1934), Hubach, (1957), se trata de “un conjunto de
areniscas de grano grueso con lechos de cascajo. Los granos de arenisca y los guijarros
de los lechos cascajosos consisten en cuarzo y plaeners, de modo que el cuarzo
prevalece normalmente; en los lechos cascajosos sin embargo, prevalecen a veces los
guijarros de plaeners. La arenisca, friable en lo general, se vuelve dura por infiltraciones
de limonita. Su ancho puede ser variable y su inclinación y rumbo varían. El conjunto de
estas areniscas representa un piso especial, separado de los pisos de Guadalupe y
Guaduas por superposición discordante”. El nombre original utilizado por Scheibe es el
de Piso de Tilatá; nombre que más tarde pasó a Formación Tilatá (Hubach, 1957a;
Scheibe, 1938). Hubach (1957a) considera que la localidad tipo de la unidad está
ubicada en la región desde la Represa del Sisga hasta Villapinzón, en el norte. La
describe como una unidad formada alternativamente de gredas, arenas y capas arenosas
y cascajos, con unos 100 metros de grueso visible.
Entre Tunja y Duitama se extiende sobre una vasta superficie como un conjunto formado
por areniscas conglomeráticas, conglomerados de gravas a cantos bien redondeados,
arcillas y esporádicos lignitos. En el área de la muestra AT, la unidad está compuesta por
arcillolitas limosas de color gris claro a gris oliva claro, con moteados naranjas en capas
gruesas de 3 m a 4 m de espesor, intercaladas con algunas capas de cuarzoarenitas de
grano fino, muy bien calibradas de color naranja amarillento, en capas gruesas de 2 m de
espesor. La Formación Tilatá yace discordantemente sobre unidades Paleógenas y
Cretácicas. Hubach (1957a) menciona para la base de la unidad la presencia en la base
de la unidad, floras tropicales de nivel del mar, mientras que en su parte media Van Der
Hammen (1957) considera que la mayor parte de la unidad es de edad pliocena, aunque
los horizontes superiores podrían ser de edad pleistocena y encontró en su parte media
Capítulo 5 47
floras tropicales, por lo que se puede asumir, que el depósito de la unidad es sincrónico
con el levantamiento de los Andes.
Formación Bogotá
La Formación Bogotá, Hettner, (1892), Hubach, (1945,1957), fue creada para reducir la
Formación Guaduas que en el sentido de Hettner (1892, p. 16) abarcaba todo lo que se
superponía a la Formación Guadalupe. Los autores posteriores a Hettner empiezan a
subdividir el Guaduas, así Scheibe (1934) lo divide en tres conjuntos numerados de abajo
a arriba, colocando el Cacho en la parte superior del conjunto II, da Scheibe (1934, pp.
34) indica ya como en el Conjunto III del Guaduas, es decir por encima del Cacho, no se
encuentran capas de carbón. Esto hace que más adelante se distinga en el Guaduas
entre conjunto productivo y conjunto improductivo, hasta que Hubach (1945), restringe el
nombre de Guaduas al conjunto productivo inferior y crea el nombre de Bogotá para el
conjunto improductivo superior. Hubach (1957) se asigna como sección tipo el flanco W
del Sinclinal de Usme a lo largo de la Quebrada Zo Grande. El límite inferior está
señalado por un conjunto de areniscas de grano grueso de la Formación Areniscas de
Cacho y su límite superior está señalado por las areniscas de Formación La Regadera.
La Formación Bogotá se encuentra expuesta al oriente de Bogotá y se extiende hacia el
norte hacia las poblaciones de Tausa y Chocontá con una dirección preferencial NE-SW.
Está conformada en la parte inferior por una sucesión alternante de areniscas
subfeldespáticas a sublitoarenitas, de grano medio a fino de color gris verdoso a gris
azuloso, en capas gruesas a muy gruesas y hacia la base gris-café, interestratificadas
ocurren lodolitas y arcillolitas, color verdoso, con moteados gris claro y en menor
proporción gris rojizo. La parte superior está constituida por una sucesión alternante de
arcillolitas y limolitas abigarradas, intercaladas esporádicamente con capas de
cuarzoarenitas, de grano medio a grueso, en capas muy gruesas. En el área de la
muestra AR la unidad está compuesta por arcillolitas arenosas de color naranja
amarillento de carácter macizo. El área de la muestra AS se caracteriza por la presencia
de arcillolitas grises y arcillolitas limosas de carácter macizo en capas muy gruesas de 15
m, con intercalaciones de areniscas de grano muy fino hacia la base.
48 Desarrollo de un gres porcelánico incorporando arcillas colombianas sometidas a
un proceso de blanqueamiento
Van Der Hammen (1958) le asigna al Bogotá una edad del Paleoceno superior - Eoceno
inferior, basado en datos palinológicos a partir de capas algo carbonosas situadas por
encima del Cacho. Hoorn (1988) cita la presencia de Faveotriletes margaritae,
Proxarpertites aperculatus y Faveotricilpites perforatus, y le asigna una edad Paleoceno
Tardio – Eoceno Temprano.
Andesitas del Terciario
Las Andesitas del terciario según la descripción que da Renzoni (1967, pp. 46) al sur de
Paipa en la localidad de Olitas afloran dos cuellos volcánicos, las rocas presentes, muy
alteradas de tipo andesítico, cruzan la Formación Churuvita y la Formación Conejo y
subyacen a la Formación Tilatá. En localidad de Aguascalientes aflora otro cuerpo
extrusivo: recolectamos una muestra de ignimbrita riolítica. Cruza la parte inferior de la
Formación Labor y Tierna¨. En la cartografía escala 1:25.000 de INGEOMINAS Cepeda &
Pardo, (2004), el cuerpo volcánico de Paipa comprende principalmente flujos
piroclásticos por colapso de columnas, compuestos por flujos de pómez y ceniza. Los
domos afloran principalmente en la cuenca de la quebrada de Olitas y en las faldas del
Alto Los Volcanes, donde alcanzan una altura de 50 m sobre la base de la quebrada
Olitas; existe otro domo muy pequeño al lado derecho oriental de la quebrada Honda.
Las rocas que afloran en el área de la muestra PZ corresponde a un conjunto de riolitas
con tonalidades grises claro en la roca fresca y de tono rosa a rojizos en las rocas más
meteorizadas, con una textura porfirítica donde se identifican fenocristales de
plagioclasa, que se presentan con una estructura masiva con algunas fracturas que
presentan óxidos de hierro; la parte meteorizada son principalmente caolinitas.
Renzoni (1967), infiere que las pequeñas masas volcánicas se hayan emplazadas en
tiempos post - Formación Bogotá y pre – Formación Tilatá. INGEOMINAS Cepeda &
Pardo (2004), reportan el único dato publicado de 2,5 Ma + 0,06 (Geotermia Italiana-
CONTECOL-OLADE 1981; K/Ar), y se seleccionó una muestra de un fragmento juvenil
de domo traquítico; que arrojó una edad Ar/Ar entre 2,1 a 2,4 Ma. Ello permite estimar
una edad Plioceno tardío para la emisión de los domos de Olitas.
Capítulo 5 49
5.1.2 Caracterización materias primas
Análisis químico de las materias primas
Esta caracterización se realiza en cada una de las materias primas, con el fin de conocer
el porcentaje de los principales óxidos y en especial de los óxidos colorantes (hierro
principalmente), lo que ha servido como dato de partida en la investigación para conocer
las materias primas que poseen altos contenidos de estos óxidos a las cuales se les
aplica los tratamientos de beneficio. En la tabla 5-2 se muestra la composición química
de cada una de las materias primas en forma porcentual.
Tabla 5-2 Análisis químico por fluorescencia de rayos X de las materias primas
SiO
2 Al
2O
3 Fe
2O
3 TiO
2 K
2O Na
2O MgO CaO P2O5 SO
3 MnO PPC
Arcilla AO 62,61 23,32 0,49 0,90 3,04 0,12 1,58 0,03 0,02 0,00 0,00 7,89
Arcilla AT 76,59 13,48 1,52 0,75 0,81 0,11 0,37 0,13 0,13 0,00 0,00 6,11
Arcilla AR 68,95 16,90 5,46 0,82 1,40 0,30 0,37 0,13 0,16 0,04 0,08 5,39
Arcilla AS 62,06 21,12 4,71 1,01 1,83 0,27 0,44 0,13 0,08 0,22 0,01 8,13
Feldespato FD 76,10 14,29 0,10 0,05 4,75 3,73 0,01 0,54 0,00 0,00 0,00 0,43
Puzolana PZ 67,30 17,11 2,93 0,35 4,76 3,94 0,18 0,24 0,06 0,33 0,00 2,80
Nefelina NF 55,94 24,54 0,24 0,20 9,14 7,94 0,19 1,14 0,03 0,00 0,00 0,64
Vidrio VR 70,70 1,30 0,10 0,05 0,30 13,80 3,60 9,60 0,01 0,20 0,00 0,34
*PPC: pérdida por calcinación expresada en %peso
De acuerdo a los resultados mostrados en la tabla 5-2 se puede observar que la arcilla
AT y el feldespato FD tienen contenidos de SiO2 altos, que se relacionan con altos
contenidos de cuarzo, lo que hace que baje su reactividad con la temperatura. Estas dos
materias primas tienen los más bajos contenidos de Al2O3, lo que hace que la proporción
alúmina/sílice sea muy baja, estando en 0,18 y 0,19 respectivamente. La arcilla AO es la
que presenta el contenido de Al2O3 más alto de todas las arcillas, teniendo una
proporción de alúmina/sílice de 0,37. Este parámetro es importante para la formación de
fase mullita durante el proceso de cocción. Su contenido de K2O mayor al de las demás
arcillas, le confiere un comportamiento más plástico y reactivo con la temperatura.
También se puede observar que la arcilla AT, AR, AS y la Puzolana PZ tienen
porcentajes de óxidos de hierro mayores al 1%, razón por la cual han sido sometidas a
50 Desarrollo de un gres porcelánico incorporando arcillas colombianas sometidas a
un proceso de blanqueamiento
procesos de beneficio para disminuir este valor. Los materiales fundentes como la
puzolana y el feldespato poseen la proporción de óxidos alcalinos (Na2O y K2O) muy
similar entre los dos. La nefelina y el vidrio reciclado poseen una elevada proporción de
Na2O, en especial el vidrio y según su análisis químico también tiene bajo contenido de
Al2O3, lo que indica una mayor capacidad fundente.
Análisis mineralógico de las materias primas
En la tabla 5-3 se muestran los resultados de los análisis mineralógicos por difracción de
rayos X de las arcillas AT, AO, AR y AS, el feldespato FD y la puzolana PZ, en donde se
describe los principales minerales constituyentes de cada una de estas materias primas y
la cantidad de los mismos en forma porcentual.
Tabla 5-3 Análisis mineralógico por difracción de rayos X de las materias primas
Materia Prima Composición Mineralógica (%)
Caolinita Illita Cuarzo Albita Ortoclasa Microclina Hematita
AO 42,36 22,41 31,27
AT 34,10 60,71
AR 35,10 10,32 47,26 5,46
AS 43,43 13,49 34,85 4,71
FD 7,62 32,70 31,55 28,06
PZ 13,86 19,74 33,33 28,12
En las figuras 5-2 a 5-7 se muestran los difractogramas obtenidos para cada una de
estas materias primas. De acuerdo a estos resultados se puede observar que la arcilla
AO además de tener cuarzo y caolinita como mineral común entre todas las demás
arcillas, tiene illita, lo cual le permite tener un comportamiento más plástico y más
reactivo con la temperatura y explica la presencia de K2O como se muestra en figura 5-2.
La arcilla AT presenta solamente cuarzo y caolinita como parte de su mineralogía como
se muestra en la figura 5-3, lo que hace que sea una materia prima con un
comportamiento refractario. Este comportamiento es asociado con la dificultad de
alcanzar un bajo nivel de porosidad, factor que influye en la resistencia mecánica. Las
arcillas AR y AS tienen la misma composición mineralógica, conformada por cuarzo,
caolinita, hematita e illita, como se observa en la figura 5-4 y en a figura 5-5. Según la
composición química (tabla 5-2) estas arcillas poseen altos contenidos de óxidos de
Capítulo 5 51
hierro, presentando hematita como mineral, lo que les da una coloración rojiza después
de quema. El contenido de illita les permite tener un comportamiento más plástico y más
reactivo con la temperatura.
Figura 5-2 Difractograma de la arcilla AO
Figura 5-3 Difractograma de la arcilla AT
Figura 5-4 Difractograma de la arcilla AR
52 Desarrollo de un gres porcelánico incorporando arcillas colombianas sometidas a
un proceso de blanqueamiento
Figura 5-5 Difractograma de la arcilla AS
Los materiales fundentes como la puzolana y el feldespato tienen una mineralogía muy
similar, teniendo como minerales comunes el cuarzo, la caolinita, la albita y un mineral
perteneciente al grupo de los feldespatos, que en el caso del feldespato FD es ortoclasa
como se observa en la figura 5-6 y en el caso de la puzolana PZ es microclina. El
difractograma de puzolana de la figura 5-7 muestra la presencia de una fase amorfa
mayor que el feldespato lo que está relacionado con su origen volcánico.
Figura 5-6 Difractograma del feldespato FD
Figura 5-7 Difractograma de la puzolana PZ
Capítulo 5 53
Análisis por microscopio de calefacción de las materias primas fundentes
En la figura 5-8 se muestra la curva de sinterización obtenida por medio del microscopio
de calefacción de los materiales fundentes utilizados en este estudio. En esta figura se
puede observar que el vidrio reciclado es un fundente muy enérgico frente al resto de
fluidificantes, como se observa en su curva de sinterización (curva naranja de la figura). A
partir de 700ºC empieza a sinterizar de forma abrupta hasta los 1150ºC. Sin embargo, el
resto de fluidificantes aparecen en una zona muy próxima a partir de los 1150ºC y un
rango máximo de sinterización del 60%. La puzolana destaca por su final en forma de U,
mientras que los 2 materiales de naturaleza feldespática (feldespato y la nefelina) son los
más refractarios, si bien la nefelina es la que más tarda en sinterizar de los 4 materiales
fluidificantes estudiados.
Figura 5-8 Curva de sinterización de los materiales fundentes
Análisis cerámico de las materias primas
En la figura 5-9 y en la figura 5-10 se muestran las curvas de gresificación de las
materias primas AO y AT, en ellas se puede observar que la arcilla AO presenta menor
absorción de agua, por debajo del 2%, a los 1200ºC, comparada con la arcilla AT, la cual
muestra un comportamiento más refractario a diferentes temperaturas, que se manifiesta
al observar que al aumentar la temperatura, la contracción se mantiene casi constante y
la absorción de agua disminuye levemente llegando a un valor de 6,49%.
54 Desarrollo de un gres porcelánico incorporando arcillas colombianas sometidas a
un proceso de blanqueamiento
Figura 5-9 Curva de gresificación de la arcilla AO
Figura 5-10 Curva de gresificación de la arcilla AT
En la figura 5-11 y en la figura 5-12 se muestran las curvas de gresificación de las
materias primas AR y AS respectivamente, en ellas se puede observar que la arcilla AS
presenta una absorción de agua de 2,08%, a los 1200ºC, comparada con la arcilla AR, la
cual muestra un comportamiento bastante refractario, con una absorción de agua de
9,25% a los 1200ºC. Estas curvas de gresificación revelan que la reactividad de la arcilla
AR con la temperatura, es muy baja presentando un comportamiento refractario, que se
Capítulo 5 55
manifiesta al observar que al aumentar la temperatura, la contracción se mantiene casi
constante y la absorción de agua disminuye levemente.
Figura 5-11 Curva de gresificación de la arcilla AR
Figura 5-12 Curva de gresificación de la arcilla AS
Con respecto a los materiales fundentes la puzolana PZ y el feldespato FD, en la figura
5-13 se observa que la puzolana presenta un comportamiento más reactivo, lo cual la
hace más sensible a los cambios de temperatura, obteniendo valores de absorción de
56 Desarrollo de un gres porcelánico incorporando arcillas colombianas sometidas a
un proceso de blanqueamiento
agua por debajo de 0,5% a partir de los 1160ºC comparada con el feldespato que entre
las temperaturas 1100ºC y 1140ºC actúa como un desengrasante, a los 1160ºC presenta
un cambio muy brusco en sus propiedades ya que alcanza su punto de sinterización a
esta temperatura. Por encima de esta temperatura presenta un comportamiento
fundente, obteniendo el valor de absorción de agua menor a 0,5% a los 1200ºC, como se
observa en la figura 5-14.
Figura 5-13 Curva de gresificación de la puzolana PZ
Figura 5-14 Curva de gresificación del feldespato FD
Capítulo 5 57
Densidades aparentes
Las densidades aparentes de las materias primas en cada una de las seis temperaturas
se muestran en la figura 5-15, en donde se puede observar que la arcilla AO presenta la
densidad aparente más alta de todas las demás materias primas en cada una de las
temperatura y la arcilla AR es la materia prima que presenta las más bajas densidades
aparentes de todas las materias primas. Con estos resultados se puede establecer que
las arcillas AO, AS y los fundentes FD y PZ son los materiales más adecuados para
fabricar un gres porcelánico porque alcanzan altas densidades aparentes con la
temperatura lo que permite obtener bajos porcentajes de absorción de agua.
Figura 5-15 Densidades aparentes de las materias primas
Resistencia a la flexión
En la figura 5-16 se muestran las resistencias a la flexión de las materias primas. En esta
figura se puede observar que la puzolana es la materia prima que más alta resistencia a
la flexión tiene, lo que indica que al ser utilizada en la formulación de pasta de un gres
porcelánico ayuda al aumento de la resistencia a la flexión de este producto. Las demás
materias primas van aumentando gradualmente su resistencia a la flexión a medida que
aumenta la temperatura, encontrándose en porcentajes mayores a 40 N mm–2 a los
1200ºC. La presencia de cantidades altas de cuarzo lleva a una disminución de la
58 Desarrollo de un gres porcelánico incorporando arcillas colombianas sometidas a
un proceso de blanqueamiento
resistencia mecánica como se puede observar en los valores de resistencia a la flexión
de las arcillas AT y AR. El alto contenido de sílice de estas materias primas podría
explicar los valores tan bajos de resistencia a la flexión, ya que según Gamal, (2001) “Un
aumento en el porcentaje de silicio lleva a una disminución de la resistencia mecánica del
material”. Acompañado de una baja formación de fase amorfa “Las diferencias entre la
expansión térmica correspondiente a los granos de cuarzo y la fase líquida causan
esfuerzo mecánico, el cual puede producir micro grietas”.
Figura 5-16 Resistencia a la flexión de las materias primas
5.1.3 Aplicación de los tratamientos de beneficio
Como se ha podido observar en los resultados de la composición química de las materias
primas (tabla 5-2), las arcillas AT, AR, AS y la puzolana PZ, tienen contenidos de óxidos
de hierro mayores al 1%, por lo tanto, han sido sometidas a tres tratamientos de beneficio
(tamizado a 100μm y 150μm, sedimentación libre y lixiviación por lotes con ácido
oxálico), con el fin de reducir el porcentaje de este oxido colorante y poder ser utilizadas
en la formulación de pasta de gres porcelánico de coloración clara. A continuación se
describe el procedimiento seguido en cada uno de los tratamientos de beneficio.
Capítulo 5 59
Tamizado en húmedo
Para este proceso se han preparado barbotinas con las arcillas AT, AR, AS y la puzolana
PZ, con contenidos en sólidos del 50% y en agua del 50%, además de la adición de
0,58% de defloculante líquido, el cual se calcula sobre el contenido de sólidos. Cada una
de estas barbotinas ha sido desleída utilizando un agitador mecánico de laboratorio, por
un tiempo de 30 minutos. Se han preparado dos barbotinas por materia prima, de las
cuales una de ellas ha sido pasada por un tamiz de 100μm y la otra por un tamiz de
150μm, en seguida se realiza un lavado con agua, hasta que el agua del cernido sea
completamente transparente, obteniendo así dos rechazos de distinta granulometría, el
primero de ellos con tamaño de partícula superior a 100μm y el segundo con tamaño de
partícula superior a 150μm. Para si poder comparar con cuál de los dos tamices se
elimina la mayor cantidad de hierro. En la figura 5-17 se muestra el procedimiento.
Figura 5-17 Proceso de tamizado
Sedimentación libre
Este procedimiento se ha llevado a cabo utilizando vasos de precipitado de 500 ml, en
donde han sido mezcladas cada una de las materias primas con agua, mediante una
agitación mecánica, para luego ser dejadas sedimentando libremente por un tiempo de
120 min, como se observa en la figura 5-18. Pasado este tiempo se procede a separar la
fracción sólida suspendida empleando un sistema sifón. Las muestras así obtenidas se
secan en estufa a 100°C.
60 Desarrollo de un gres porcelánico incorporando arcillas colombianas sometidas a
un proceso de blanqueamiento
Figura 5-18 Proceso de sedimentación
Lixiviación por lotes
Para este tratamiento se ha utilizado el método de lixiviación por lotes con ácido oxálico.
Para iniciar con el proceso se forman cuatro lotes de tratamiento, uno por cada materia
prima, usando 5 kg de cada una de las materias primas, a las cuales se les realiza un
riego por aspersión con una disolución 0,4 M de ácido oxálico durante 60 días. Se
escoge este tiempo por ser el utilizado para maduración de las arcillas explotadas en
minas. Para la recolección de los lixiviados se realiza un montaje de tal manera que cada
materia prima se le pudiera recoger sus respectivos lixiviados. Durante la primera
semana los lotes no son movidos, después de este tiempo, el material se mueve
mecánicamente para permitir la ventilación y homogenización; este movimiento se realiza
dos veces por semana. En la figura 5-19 se muestra el montaje realizado.
Figura 5-19 Proceso de lixiviación
Capítulo 5 61
5.1.4 Caracterización materias primas beneficiadas
Análisis químico de las materias primas beneficiadas
Los resultados de la caracterización química por medio de fluorescencia de rayos X de
las materias primas beneficiadas se muestran en las tablas 5-4, 5-5, 5-6 y 5-7, en forma
porcentual. En la tabla 5-4 se muestran los resultados de la composición química de la
arcilla AT, en ella se puede observar que con cada uno de los tratamientos de beneficio
se logra reducir el porcentaje de óxido de hierro. El contenido de óxido de hierro de la
arcilla original es decir, sin ningún tipo de tratamiento es de 1,52%, al aplicarle el
tratamiento de tamizado en húmedo a 100μm este contenido pasa a 1,48% obteniendo
una reducción del 2,63%. Con el tratamiento de sedimentación este contenido pasa a
1,31% logrando reducir un 13,82%. Al aplicar el tratamiento de tamizado a 150μm se
logra una reducción del 18,42% pasando a tener un contenido de óxido de hierro de
1,24%. El tratamiento de lixiviación con ácido oxálico logra la mayor reducción, siendo el
tratamiento de beneficio que mejor funciona, quedando la arcilla con un contenido de
óxido de hierro de 1,06%, alcanzando una reducción del 30,26%.
Tabla 5-4 Análisis químico de la arcilla AT con los tratamientos de beneficio
ARCILLA AT SiO2 Al2O3 Fe2O3 TiO2 K2O Na2O MgO CaO P2O5 SO3 MnO PPC
Original 74,59 15,48 1,52 0,75 0,81 0,11 0,37 0,13 0,13 0,00 0,00 6,11
Tamizado 100 μm 73,95 16,02 1,48 0,74 0,85 0,12 0,39 0,14 0,13 0,00 0,00 6,18
Sedimentación 73,31 15,16 1,31 0,65 0,68 0,85 0,38 0,27 0,16 0,00 0,00 7,23
Tamizado 150 μm 73,98 15,02 1,24 0,75 0,85 0,11 0,35 0,14 0,10 0,00 0,00 7,46
Lixiviación ácido oxálico 74,62 14,83 1,06 0,76 0,85 0,13 0,34 0,12 0,09 0,00 0,00 7,20
En la tabla 5-5 se muestran los resultados de la composición química de la puzolana PZ
con cada uno de los tratamientos de beneficio, en ella se puede observar una reducción
significativa en el porcentaje de óxido de hierro con cada uno de ellos. Por ejemplo, en el
tratamiento de tamizado en húmedo a 100μm el contenido de óxido de hierro pasa a
2,17% comparado con el contenido de óxido de hierro de la puzolana original el cual es
de 2,93%, obteniendo una reducción del 25,94%. En el tratamiento de sedimentación
libre este contenido pasa a 2,14% logrando reducir el óxido de hierro un 26,96%. En el
tratamiento de tamizado a 150μm se logra una reducción del 32,42% pasando a tener un
62 Desarrollo de un gres porcelánico incorporando arcillas colombianas sometidas a
un proceso de blanqueamiento
contenido de óxido de hierro de 1,98%. El tratamiento de lixiviación con ácido oxálico
también logra la mayor reducción de todos los tratamientos de beneficio, alcanzando una
reducción del 64,16%, quedando con un contenido de óxido de hierro final de 1,05%.
Tabla 5-5 Análisis químico de la puzolana PZ con los tratamientos de beneficio
PUZOLANA PZ SiO2 Al2O3 Fe2O3 TiO2 K2O Na2O MgO CaO P205 SO3 MnO PPC
Original 67,30 17,11 2,93 0,35 4,76 3,94 0,18 0,24 0,06 0,33 0,00 2,80
Tamizado 100 μm 67,95 17,31 2,17 0,17 4,80 4,46 0,00 0,25 0,06 0,07 0,03 2,73
Sedimentación 65,09 20,33 2,14 0,24 3,28 4,69 0,07 0,16 0,05 0,02 0,11 3,82
Tamizado150 μm 68,94 17,21 1,98 0,33 4,33 4,04 0,14 0,12 0,05 0,07 0,00 2,79
Lixiviación ácido oxálico 69,00 16,83 1,05 0,30 4,91 4,78 0,11 0,13 0,03 0,06 0,01 2,79
*PPC: pérdida por calcinación expresada en %peso.
En la tabla 5-6 se muestran los resultados de la composición química de la arcilla AR con
cada uno de los procesos de beneficio, con los cuales se logra reducir el porcentaje de
óxido de hierro. El contenido de óxido de hierro de la arcilla original es de 5,45%, al
aplicarle el tratamiento de tamizado en húmedo a 100μm este contenido pasa a 3,81%,
con una reducción del 30,09%. Con el tratamiento de sedimentación este contenido llega
a 3,58%, logrando reducir un 34,31%. Al aplicar el tratamiento de tamizado a 150μm se
logra una reducción del 49,54%, pasando a tener un contenido de óxido de hierro del
2,75%. El proceso de lixiviación con ácido oxálico logra la mayor reducción, siendo el
tratamiento de beneficio que mejor funciona, quedando la arcilla con un contenido de
óxido de hierro de 2,40%, alcanzando una reducción del 55,96%.
Tabla 5-6 Análisis químico de la arcilla AR con los tratamientos de beneficio
ARCILLA AR SiO2 Al2O3 Fe2O3 TiO2 K2O Na2O MgO CaO P205 SO3 MnO PPC
Original 68,96 16,90 5,45 0,82 1,40 0,30 0,37 0,13 0,16 0,04 0,08 5,39
Tamizado 100 μm 67,52 19,21 3,81 0,93 1,62 0,33 0,37 0,06 0,18 0,03 0,03 5,91
Sedimentación 68,75 17,67 3,58 0,87 1,58 0,33 0,40 0,06 0,20 0,07 0,01 6,48
Tamizado 150 μm 69,01 18,63 2,75 0,92 1,60 0,30 0,37 0,05 0,14 0,10 0,01 6,11
Lixiviación ácido oxálico 73,48 16,36 2,40 0,86 1,20 0,24 0,24 0,05 0,09 0,00 0,01 5,06
*PPC: pérdida por calcinación expresada en % peso.
Capítulo 5 63
En la tabla 5-7 se muestran los resultados de la composición química de la arcilla AS con
cada uno de los tratamientos de beneficio. Por ejemplo, en el tratamiento de tamizado en
húmedo a 100μm, el contenido de óxido de hierro pasa a 4,71% comparado con el
contenido de óxido de hierro de la arcilla original el cual es de 5,57%, obteniendo una
reducción del 15,44%. En el tratamiento de sedimentación este contenido pasa a 4,59%,
logrando reducir el óxido de hierro un 17,59%. En el tratamiento de tamizado a 150μm se
logra una reducción del 26,57% pasando a tener un contenido de óxido de hierro de
4,09%. El tratamiento de lixiviación con ácido oxálico fue el tratamiento que logra la
mayor reducción de todos los procesos de beneficio utilizados, alcanzando una reducción
del 35,01%, quedando con un contenido de óxido de hierro final de 3,62%.
Tabla 5-7 Análisis químico de la arcilla AS con los tratamientos de beneficio
ARCILLA AS SiO2 Al2O3 Fe2O3 TiO2 K2O Na2O MgO CaO P205 SO3 MnO PPC
Original 62,64 21,22 5,57 1,01 1,87 0,26 0,48 0,12 0,08 0,05 0,05 6,65
Tamizado 100 μm 62,06 21,12 4,71 1,01 1,83 0,27 0,44 0,13 0,08 0,22 0,01 8,12
Sedimentación 63,24 21,42 4,59 1,03 1,74 0,27 0,46 0,11 0,08 0,16 0,00 6,90
Tamizado 150 μm 64,63 21,50 4,09 1,00 1,75 0,25 0,47 0,14 0,08 0,05 0,01 6,03
Lixiviación ácido oxálico 63,75 20,97 3,62 0,97 1,84 0,28 0,43 0,14 0,07 0,21 0,01 7,71
*PPC: pérdida por calcinación expresada en % peso.
Análisis mineralógico de las materias primas beneficiadas
En la tabla 5-8 y en las figuras 5-20, 5-21, 5-22 y 5-23 se muestran los resultados de la
caracterización mineralógica por medio de difracción de rayos X de las materias primas
beneficiadas por medio del tratamiento de lixiviación con ácido oxálico. De acuerdo a
estos resultados se puede observar que las materias primas AT y PZ beneficiadas no
presentan cambios en su composición mineralógica, comparada con la materia prima
original, quedando con la misma composición mineralógica de cuarzo y caolinita para la
arcilla AT y cuarzo, caolinita, albita y microclina para la puzolana PZ. Excepto las arcillas
AR y AS que después del tratamiento de beneficio, no presentan el mineral hematita,
como si se presenta en la arcilla original, quedando con la composición mineralógica de
cuarzo, caolinita e illita.
64 Desarrollo de un gres porcelánico incorporando arcillas colombianas sometidas a
un proceso de blanqueamiento
Tabla 5-8 Análisis mineralógico de las materias primas beneficiadas
MATERIA PRIMA COMPOSICIÓN MINERALÓGICA
AT Cuarzo, caolinita.
AR Cuarzo, caolinita, illita.
AS Cuarzo, caolinita, illita.
PZ Cuarzo, caolinita, albita, microclina.
Figura 5-20 Difractograma de la arcilla AT beneficiada
Figura 5-21 Difractograma de la arcilla AR beneficiada
Figura 5-22 Difractograma de la arcilla AS beneficiada
Capítulo 5 65
Figura 5-23 Difractograma de la puzolana PZ beneficiada
Análisis colorimétrico de las materias primas beneficiadas
En la figura 5-24 se muestran los resultados de los análisis colorimétricos de la puzolana
PZ original y la puzolana PZ beneficiada químicamente por medio del tratamiento de
lixiviación con ácido oxálico, después de ser cocidas a las 6 temperaturas utilizadas en
este estudio (1100ºC, 1120ºC, 1140ºC, 1160ºC, 1180ºC y 1200ºC). En esta figura se
puede observar claramente que en cada una de las temperaturas, la puzolana tratada,
presenta un aumento significativo en cada una de las coordenadas L*, a* y b* con
respecto a la puzolana original. Por ejemplo a la temperatura de 1200ºC, el valor de la
coordenada L* de la puzolana PZ tratada, se encuentra 10,04 puntos por encima de la
puzolana PZ original, la coordenada a* de la puzolana PZ tratada, se encuentra 4,12
puntos por encima de la puzolana PZ original y la coordenada b* de la puzolana PZ
tratada, se encuentra 8,23 puntos por encima de la puzolana PZ original. De esta figura
también es importante resaltar que en las temperaturas de 1100ºC a 1180ºC se observa
una disminución progresiva en la coordenada L*, lo cual es debido a la reducción del
Fe2O3 a FeO que es de color negro y a la formación progresiva de fase vítrea. Mientras
que a la temperatura de 1200ºC se observa un aumento en esta coordenada, lo cual
puede ser explicado por el hecho que la formación de fase cristalina como la mullita
puede ocluir, en parte, el óxido de hierro en su estructura, modificando el color en cocido
(Barba et al., 2002, p. 278).
La mejora en el grado de blancura de la puzolana tratada, comparada con la puzolana
original, se puede observar en la figura 5-25, en donde se muestra una imagen en donde
se compara las probetas cocidas a las 6 temperaturas de la puzolana tratada
químicamente (A) y la puzolana original (B), evidenciándose el cambio de tonalidad.
66 Desarrollo de un gres porcelánico incorporando arcillas colombianas sometidas a
un proceso de blanqueamiento
Figura 5-24 Parámetros colorimétricos de la puzolana PZ
Figura 5-25 Cambio de tonalidad de la puzolana PZ
A B
Capítulo 5 67
En la figura 5-26 se muestran los resultados de los análisis colorimétricos de la arcilla AT
original y la tratada químicamente, después de ser cocidas a las 6 temperaturas
mencionadas anteriormente. En esta figura se puede observar claramente que en cada
una de estas temperaturas, la arcilla AT tratada, presenta una mejora significativa en su
grado de blancura, obteniendo mayores valores en la coordenadas L* y disminución de
las coordenadas a* y b* (componente roja y amarilla) con respecto a la arcilla AT original.
Por ejemplo a la temperatura de 1200ºC, la coordenada L* de la arcilla AT tratada es
4,33 puntos mayor que la coordenada L* de la arcilla AT original, mientras que las
coordenadas a* y b* de la arcilla AT tratada, se encuentran respectivamente 2,64 y 5,44
puntos por debajo de las coordenadas a* y b* de la arcilla AT original.
Figura 5-26 Parámetros colorimétricos de la arcilla AT
La mejora en el grado de blancura de la arcilla AT tratada, comparada con la arcilla AT
original se puede observar en la figura 5-27, donde se muestra una imagen que compara
las probetas cocidas a las 6 temperaturas de la arcilla AT original (A) y la arcilla AT
tratada químicamente (B), evidenciándose el cambio de tonalidad.
68 Desarrollo de un gres porcelánico incorporando arcillas colombianas sometidas a
un proceso de blanqueamiento
Figura 5-27 Cambio de tonalidad de la arcilla AT
En la figura 5-28 se muestran los resultados de los análisis colorimétricos de la arcilla AR
original y la arcilla AR beneficiada químicamente por medio del tratamiento de lixiviación
con ácido oxálico tratada químicamente después de ser cocidas a las 6 temperaturas
utilizadas en este estudio (1100ºC, 1120ºC, 1140ºC, 1160ºC, 1180ºC y 1200ºC). En esta
figura se puede observar que la arcilla AR tratada, presenta un aumento significativo en
la coordenada L* y por lo tanto en su grado de blancura, también se observa un aumento
en la coordenada b* (componente amarilla) y una disminución en la coordenada a*
(componente roja), en cada una de las temperaturas, con respecto a la arcilla original.
Por ejemplo a la temperatura de 1200ºC, el valor de la coordenada L* de la arcilla AR
tratada se encuentra 20,04 puntos por encima de la arcilla AR original, la coordenada b*
de la arcilla AR tratada se encuentra 8,12 puntos por encima de la arcilla AR original y la
coordenada a* de la arcilla AR tratada se encuentra 2,57 puntos por debajo de la arcilla
AR original. La arcilla AR presenta un aumento significativo en la coordenada L* y en la
coordenada b* y una disminución en la coordenada a* que es la componente roja. Lo que
hace que adquiera una tonalidad más amarillenta como se muestra en la figura 5-29, en
donde se puede observar una imagen en donde se comparan las probetas cocidas a las
6 temperaturas de la arcilla AR tratada químicamente (A) y la arcilla AR original (B),
evidenciándose el cambio de tonalidad.
A B
Capítulo 5 69
Figura 5-28 Parámetros colorimétricos de la arcilla AR
Figura 5-29 Cambio de tonalidad de la arcilla AR
A B
70 Desarrollo de un gres porcelánico incorporando arcillas colombianas sometidas a
un proceso de blanqueamiento
En la figura 5-30 se muestran los resultados de los análisis colorimétricos de la arcilla AS
original y la arcilla AS tratada químicamente, después de ser cocidas a las 6
temperaturas. En esta figura se puede observar que en cada una de las temperaturas, la
arcilla AS tratada, presenta un aumento en cada una de las coordenadas L*, a* y b* con
respecto a la arcilla AS original. Por ejemplo a la temperatura de 1200ºC, el valor de la
coordenada L* de la arcilla AS tratada, se encuentra 3,05 puntos por encima de la arcilla
AS original, la coordenada a* de la arcilla AS tratada, se encuentra 4,80 puntos por
encima de la arcilla AS original y la coordenada b* de la arcilla AS tratada, se encuentra
7,55 puntos por encima de la arcilla AS original.
Figura 5-30 Parámetros colorimétricos de la arcilla AS
La mejora en el grado de blancura de la arcilla AS tratada comparada con la arcilla AS
original se puede observar en la figura 5-31 en donde se muestra una imagen que
compara las probetas cocidas a las 6 temperaturas de la arcilla AS tratada químicamente
(A) y la arcilla AS original (B), evidenciándose el cambio de tonalidad.
Capítulo 5 71
Figura 5-31 Cambio de tonalidad de la arcilla AS
Análisis cerámico de las materias primas beneficiadas
En las figuras 5-32, 5-33, 5-34 y 5-35 se pueden observar las curvas de gresificación de
las arcillas AT, AR, AS y la puzolana natural PZ, tratadas químicamente por medio del
método de lixiviación con ácido oxálico, ya que ha sido el tratamiento que presenta los
mejores resultados en cuanto a la disminución significativa del hierro.
En estas figuras se muestra una comparación entre las materias primas originales y las
materias primas tratadas químicamente por medio de lixiviación con ácido oxálico, en
donde se puede observar un comportamiento muy similar entre ellas. Se observa que las
arcillas AT y AR aumentan levemente el valor de absorción de agua en cada una de las
temperaturas, después del tratamiento de beneficio comparada con la arcilla original,
este aumento se debe principalmente al contenido de sílice en las muestras, ya que
como se puede observar en su análisis químico el tratamiento de beneficio aumenta el
porcentaje de óxido de sílice. En general el proceso de beneficio de lixiviación con ácido
oxálico aplicado a estas materias primas, no afecta significativamente las propiedades
cerámicas de absorción de agua y contracción lineal.
A B
72 Desarrollo de un gres porcelánico incorporando arcillas colombianas sometidas a
un proceso de blanqueamiento
Figura 5-32 Curvas de gresificación de la arcilla AT original y tratada
Figura 5-33 Curva de gresificación de la arcilla AR original y tratada
Capítulo 5 73
Figura 5-34 Curva de gresificación de la arcilla AS original y tratada
Figura 5-35 Curva de gresificación de la puzolana PZ original y tratada
5.1.5 Desarrollo de composiciones
Para el desarrollo de las composiciones de gres porcelánico se han utilizado las materias
primas no tratadas (AO y FD) y las materias primas tratadas (AT y PZ) porque después
del tratamiento de beneficio de lixiviación por lotes con ácido oxálico su contenido de
óxido de hierro se redujo al 1%. Aunque las arcillas AS y AR no han obtenido una
74 Desarrollo de un gres porcelánico incorporando arcillas colombianas sometidas a
un proceso de blanqueamiento
reducción menor al 1% en su contenido de óxido de hierro con ninguno de los
tratamientos de beneficio, con cada una de ellas se ha formulado una composición con el
fin de analizar su comportamiento y el aporte que le hacen a la composición de una pasta
de gres porcelánico. Por otro lado, también se han formulado composiciones, utilizando
otros fundentes como nefelina (NF) y vidrio reciclado (VR) con el fin de sustituir al
feldespato, buscando una mayor reactividad a temperaturas más bajas. Para dar una
mayor estabilidad a la pasta también se han formulado composiciones de pasta
incorporando materiales desgrasantes como el chamote cerámico y arena sílice.
Desarrollo de composiciones de pasta con la incorporación de materias primas tratadas
El desarrollo de estas composiciones se hace con materias primas originales e
incorporando las materias primas que han obtenido el mejor resultado en cuanto a la
disminución significativa del hierro, es decir las materias primas tratadas químicamente
con el método de lixiviación por lotes con ácido oxálico. Para identificar el efecto de los
tratamientos de beneficio, se han desarrollado las composiciones C1 y C2, que tienen las
mismas materias primas y en porcentajes iguales, pero con la diferencia de que la
composición C1 se formula con las materias primas tratadas y la composición C2 se
formula con las materias primas originales. Las composiciones C3 y C4 se formulan con
la incorporación de las arcillas AR y AS que también fueron tratadas químicamente. La
composición C5 se formula con el fin de analizar el comportamiento con una sola de las
arcillas caoliníticas, teniendo en cuenta su fácil consecución y cantidad de reservas.
Estas composiciones se muestran en la tabla 5-9.
Tabla 5-9 Composiciones de pasta C1, C2, C3, C4 y C5
MATERIA PRIMA C1 C2 C3 C4 C5
AO 20 20 10 10 -
AT (original) - 30 - - -
AT (tratada) 30 - 30 30 50
AR (tratada) - - - 10 -
AS (tratada) - - 10 - -
PZ (original) - 30 - - -
PZ (tratada) 30 - 30 30 30
FD 20 20 20 20 20
Capítulo 5 75
Análisis químico
En la tabla 5-10 se muestran los resultados de los análisis químicos de las
composiciones C1, C2, C3, C4 y C5. En esta tabla se puede observar que la composición
C2, en la cual se utilizan las arcillas originales sin ningún tipo de tratamiento, posee
contenidos de óxido de hierro de 1,52%, mientras que en la composición C1 la cual se
formula con las materias primas tratadas, los contenidos de óxido de hierro Fe2O3 se
encuentran por debajo del 1%, con un valor de 0,31%. A pesar que las composiciones C3
y C4 han sido formuladas con la incorporación de las arcillas AR y AS que después del
tratamiento de beneficio quedan aún con contenidos de óxido de hierro por encima del
1%, al ser mezcladas con las demás materias primas, se puede observar que la
composición final queda con contenidos de óxido de hierro muy cercanos al 1%. Por lo
que se puede concluir que los tratamientos de beneficio son satisfactorios y se cumple
con el objetivo de desarrollar composiciones de pasta de gres porcelánico de coloración
clara, con bajos contenidos de hierro.
Tabla 5-10 Caracterización química de las composiciones C1, C2, C3, C4 y C5
COMPOSICIONES SiO2 Al2O3 Fe2O3 TiO2 K2O Na2O CaO PPC
C1 71,20 17,60 0,31 0,49 3,50 2,29 0,23 4,81
C2 69,90 18,45 1,52 0,46 3,03 2,50 0,24 4,72
C3 71,11 16,99 1,06 0,39 2,24 1,78 0,23 5,17
C4 71,79 16,17 0,94 0,48 1,89 1,98 0,56 4,77
C5 72,80 16,60 0,36 0,47 3,07 2,26 0,23 4,83
Análisis mineralógico
En las figuras 5-36, 5-37, 5-38, 5-39 y 5-40, se presentan los difractogramas de las
composiciones C1, C2, C3, C4 y C5 respectivamente, después de ser sometidas a
cocción a temperatura de 1180ºC. En ellas se puede observar que estas composiciones
tienen dos fases comunes: El cuarzo y la mullita. Durante la cocción, las arcillas sufren
una serie de transformaciones químicas, físicas, mineralógicas y estructurales que están
principalmente influenciadas por la composición química y mineralógica de la arcilla
original (Baccour et al., 2009). Así por ejemplo, mientras unos minerales están siendo
parcialmente descompuestos otros simultáneamente están siendo formados. Un ejemplo
de esta afirmación lo presentan estas materias primas en donde el cuarzo es un
76 Desarrollo de un gres porcelánico incorporando arcillas colombianas sometidas a
un proceso de blanqueamiento
componente de la arcilla original que no sufre transformaciones químicas durante la
etapa de cocción; por el contrario, la mullita es una fase nueva que se forma durante la
cocción.
Figura 5-36 Difractograma de la composición C1
Figura 5-37 Difractograma de la composición C2
Figura 5-38 Difractograma de la composición C3
Capítulo 5 77
Figura 5-39 Difractograma de la composición C4
Figura 5-40 Difractograma de la composición C5
Análisis cerámico
En la figura 5-41 y en la figura 5-42, se muestran las curvas de gresificación de las
composiciones C1 y C2 respectivamente, donde se observa que estas dos
composiciones no presentan diferencias significativas en su comportamiento, por lo que
se puede concluir que el tratamiento realizado a las materias primas para su blanqueo,
no afecta las propiedades cerámicas. Estas composiciones alcanzan valores de
absorción de agua por debajo del 0,5% (C1 = 0,32% y C2 = 0,25%) a la temperatura de
1200°C con valores de contracción lineal de (C1 = 7,63% y C2 = 8,10%). Esta diferencia
de contracciones se debe a que al momento de hacer los tratamientos de beneficio y
como se puede comprobar en los análisis químicos, la cantidad de sílice aumenta lo que
hace que la composición C1 contraiga menos.
78 Desarrollo de un gres porcelánico incorporando arcillas colombianas sometidas a
un proceso de blanqueamiento
Figura 5-41 Curva de gresificación de la composición C1
Figura 5-42 Curva de gresificación de la composición C2
En las figuras 5-43, 5-44 y 5-45 , se muestran las curvas de gresificación de las
composiciones C3, C4 y C5 respetivamente, en estas se puede observar que la
composición C3 que es la composición a la que se le incorporó la arcilla AS tratada,
presenta el comportamiento más fundente de las tres composiciones, alcanzando valores
de absorción de agua por debajo del 1% a los 1180ºC, lo que hace que tenga una mayor
Capítulo 5 79
contracción lineal, este comportamiento es debido a la capacidad fundente de la arcilla
AS. Mientras que las composiciones C4 y C5, cuyas materias primas contienen altos
contenidos de sílice, presentan un comportamiento más refractario, alcanzando valores
de absorción de agua por debajo de 0,5% a los 1200ºC, con valores de contracción lineal
menores al 8%.
Figura 5-43 Curva de gresificación de la composición C3
Figura 5-44 Curva de gresificación de la composición C4
80 Desarrollo de un gres porcelánico incorporando arcillas colombianas sometidas a
un proceso de blanqueamiento
Figura 5-45 Curva de gresificación de la composición C5
Resistencia a la flexión
En la figura 5-46 se presenta la resistencia a la flexión de las composiciones C1, C2, C3,
C4 y C5. En esta figura se puede observar que la composición C3, tiene los valores más
altos de resistencia a la flexión. Esto se puede explicar por el hecho de que esta
composición posee una mineralogía rica en minerales fundentes los cuales alcanzan la
vitrificación a temperaturas menores, obteniendo porcentajes de absorción de agua por
debajo del 1% desde los 1180ºC. Mientras las composiciones C4 y C5 que están
formuladas con las arcillas AR y AT, las cuales tienen un alto contenido de sílice,
presentan valores de resistencia a la flexión más bajos.
La resistencia a la flexión de las composiciones C1 y C2 tiene valores muy cercanos
entre ellas. La fase mullita juega un papel muy importante en el aumento de la resistencia
mecánica ya que, como se puede observar en los difractogramas de cada una de las
materias primas, estas poseen mullita como mineral, lo que puede haber contribuido al
aumento que se obtiene en la resistencia a la flexión de estas composiciones a medida
que aumenta la temperatura.
Capítulo 5 81
Figura 5-46 Resistencia a la flexión de las composiciones C1, C2, C3, C4 y C5
Análisis colorimétrico
En la figura 5-47 se muestran los análisis colorimétricos de las composiciones C1 y C2,
en esta figura se puede observar una diferencia significativa en el valor de la coordenada
L* entre la composición C1 y la composición C2, recordemos que estas dos
composiciones tienen las mismas materias primas y los mismos porcentajes pero con la
diferencia que la composición C1 está formulada con materias primas tratadas y la
composición C2 está formulada con las materias primas originales. Por ejemplo la
coordenada L* de la composición C1 a los 1140ºC, tiene 9,45 puntos por encima de la
composición C2, A los 1160ºC tiene 11,55 puntos por encima, a los 1180ºC tiene 11,66
puntos y a los 1200ºC tiene 10,96 puntos por encima de la composición C2. También se
observa un mayor valor en la coordenada a* (componente rojo) en la composición C2 y
un mayor valor de la coordenada b* (componente amarilla) en la composición C1. Por lo
tanto, el tratamiento de beneficio aplicado fue eficiente para el desarrollo de gres
porcelánico de color claro.
82 Desarrollo de un gres porcelánico incorporando arcillas colombianas sometidas a
un proceso de blanqueamiento
Figura 5-47 Parámetros colorimétricos de las composiciones C1 y C2
En la figura 5-48 se muestran los análisis colorimétricos de las composiciones C3, C4 y
C5, en esta figura se puede observar que la composición C3, tiene el valor más bajo de
coordenada L* y el más alto valor de la coordenada a* de las tres composiciones a las
cuatro temperaturas analizadas, esto es debido a que la arcilla AS tiene porcentajes de
óxido de hierro más altos, mientras que la composición C5 tiene el más alto valor de
coordenada L* y el valor más bajo en la coordenada a* comparada con las
composiciones C3 y C4, ya que esta composición tiene el 50% de arcilla AT la cual fue
tratada químicamente, logrando reducir su porcentaje de óxido de hierro.
En la figura 5-49 se puede observar el color obtenido en las probetas de gres porcelánico
de las composiciones C1, C2, C3, C4 y C5, después del proceso de cocción en cada una
de las temperaturas estudiadas. Allí se puede observar la diferencia significativa en el
color de la composición C2 con respecto a las demás composiciones, lo que demuestra
la efectividad del proceso de blanqueamiento.
Capítulo 5 83
Figura 5-48 Parámetros colorimétricos de las composiciones C3, C4 y C5
Figura 5-49 Probetas cocidas de las composiciones C1, C2, C3,C4 y C5
84 Desarrollo de un gres porcelánico incorporando arcillas colombianas sometidas a
un proceso de blanqueamiento
Densidad Aparente
En la figura 5-50 se muestran las densidades aparentes de las composiciones C1, C2,
C3, C4 y C5 a las cuatro temperaturas de cocción. Las densidades aparentes aumentan
a medida que se incrementa la temperatura, pero es a partir de los 1160°C que se
alcanza el punto de sinterización; el cual también se ve reflejado en el cambio de
pendiente de las curvas de gresificación las cuales se hacen más suaves.
Figura 5-50 Densidades aparentes de las composiciones C1, C2, C3, C4 y C5
Análisis por microscopía electrónica de barrido (MEB)
En la figura 5-51 y en la figura 5-52, se muestran los resultados obtenidos del análisis por
microscopía electrónica de barrido de las composiciones C1, C2, C3, C4 y C5 cocidas a
1180°C. En la figura 5-51 se observan las micrografías obtenidas para cada una de las
composiciones y en la figura 5-52, se muestra un análisis estadístico representado por un
diagrama de barras, en donde se destacan los valores estadísticos correspondientes al
análisis de imagen de cada una de estas micrografías. En este diagrama el color rojo
representa la porosidad abierta, el color amarillo el cuarzo cristalino, el color verde
representa la matriz sinterizada y el color azul representa los óxidos colorantes.
Capítulo 5 85
Figura 5-51 Micrografías de las composiciones C1, C2, C3, C4 Y C5
Micrografía composición C1 Micrografía composición C2
Micrografía composición C3 Micrografía composición C4
Micrografía composición C5
86 Desarrollo de un gres porcelánico incorporando arcillas colombianas sometidas a
un proceso de blanqueamiento
Figura 5-52 Análisis estadístico de las composiciones C1, C2, C3, C4 Y C5
Análisis estadístico composición C1 Análisis estadístico composición C2
Análisis estadístico composición C3 Análisis estadístico composición C4
Análisis estadístico composición C5
Para las composiciones C1 y C2 es importante observar en las micrografías (figura 5-51)
que la composición C2 presenta más cantidad de óxidos colorantes, lo que se ve
reflejado en el mayor tamaño y número de áreas brillantes o claras, ya que al ser
elementos pesados, aparecen como zonas más claras en las micrografías, debido al tipo
Area Measurements
Are
a %
0
20
40
60
80
4.5% 21.1% 74.2% 0.2%
Area Measurements
Are
a %
0
20
40
60
80
3.1% 20.4% 75.2% 1.3%
Area Measurements
Are
a %
0
20
40
60
80
6.6% 22.4% 70.0% 1.0%
Area MeasurementsA
rea %
0
20
40
60
80
4.8% 20.2% 74.3% 0.7%
Area Measurements
Are
a %
0
20
40
60
80
5.2% 18.3% 76.0% 0.5%
Capítulo 5 87
de señal en que son recogidas las imágenes de electrones retrodispersados, Lo que
también se observa en el análisis estadístico (figura 5-52), en donde el porcentaje de
óxidos colorantes (barra azul) para la composición C2 es de 1,3% mientras que para la
composición C1 es de 0,2%. En las micrografía de la composición C3, también se puede
observar que el tamaño y el número de áreas brillantes o claras es mayor que las
composiciones C4 y C5 al igual que en el análisis estadístico, el porcentaje de óxidos
colorantes (barra azul) es de 1%, mientras que para las composiciones C4 y C5 es de
0,7% y 0,5% respectivamente.
Desarrollo de composiciones de pasta con la incorporación de materiales fundentes
De acuerdo a los resultados obtenidos de las composiciones anteriores, se seleccionó la
composición C1 como base para plantear cuatro composiciones, utilizando otros
fundentes como nefelina (NF) y vidrio reciclado (VR) que junto con la puzolana sustituyen
al feldespato, con el fin de buscar una mayor reactividad a temperaturas más bajas.
Estas composiciones se muestran en la tabla 5-11.
Tabla 5-11 Composiciones de pasta C6, C7, C8 y C9
MATERIA PRIMA C6 C7 C8 C9
AO 20 20 20 20
AT (tratada) 30 30 30 30
PZ (tratada) - 50 45 45
FD 50 - - -
NF - - 5 -
VR - - - 5
Análisis químico
En la tabla 5-12 se puede observar los análisis químicos de las cuatro composiciones
preparadas con materias primas fundentes. Estas cuatro composiciones tienen una
composición química muy similar, en cuanto al contenido de SiO2 y Al2O3, Los contenidos
de óxido de hierro Fe2O3 en las cuatro composiciones se encuentran por debajo del 1%
cumpliendo con el objetivo de desarrollar composiciones de pasta de gres porcelánico de
coloración clara. En cuanto a la proporción de óxidos alcalinos (Na2O y K2O), la
formulación C6 y C8 poseen más proporción K2O, mientras que la composición C9 posee
más proporción de Na2O.
88 Desarrollo de un gres porcelánico incorporando arcillas colombianas sometidas a
un proceso de blanqueamiento
Tabla 5-12 Caracterización química de las composiciones C6, C7, C8 Y C9
COMPOSICIONES SiO2 Al2O3 Fe2O3 TiO2 K2O Na2O MgO CaO P205 MnO PPC
C6 76,81 13,23 0,42 0,38 2,78 1,68 0,43 0,32 0,06 0,00 3,89
C7 75,06 13,88 0,88 0,46 2,56 2,02 0,45 0,13 0,07 0,00 4,49
C8 75,42 13,54 0,42 0,50 2,80 2,47 0,31 0,21 0,06 0,00 3,89
C9 76,43 12,23 0,82 0,38 2,08 2,98 0,43 0,32 0,06 0,00 4,27
Análisis mineralógico
En las figuras 5-53, 5-54, 5-55 y 5-56 se presentan los difractogramas de las
composiciones C6, C7, C8 y C9 respectivamente, sometidas a cocción a 1180ºC. En
ellas se puede observar que las fases comunes, entre estas composiciones son el cuarzo
y la mullita. La composición C6 que está formulada con 50% de feldespato presenta
picos principales asociados a un feldespato que en este caso es Anortoclasa, el cual es
un feldespato sódico-potásico de alta temperatura. Esta formación es debida
principalmente a la composición química del feldespato utilizado, el cual tiene alta
proporción de sodio y potasio. Las composiciones C7 y C8 formuladas con la adición de
50% de puzolana y 5% de nefelina respectivamente, muestran una composición
mineralógica compuesta por mullita y cuarzo, mientras que la composición C9 formulada
añadiendo 5% de vidrio, además de estas dos fases, presenta albita, debido
principalmente al alto contenido de óxido de sodio que presenta el vidrio.
Figura 5-53 Difractograma de la composición C6
Capítulo 5 89
Figura 5-54 Difractograma de la composición C7
Figura 5-55 Difractograma de la composición C8
Figura 5-56 Difractograma de la composición C9
Análisis cerámico
En la figura 5-57 y en la figura 5-58 se muestran las curvas de gresificación de las
composiciones C6 y C7 respectivamente, en estas figuras se puede observar que la
90 Desarrollo de un gres porcelánico incorporando arcillas colombianas sometidas a
un proceso de blanqueamiento
composición C6 formulada con 50% de feldespato, entre los 1140ºC y los 1160ºC, sufre
un cambio abrupto en sus propiedades, pasando de una absorción de agua de 6,98% a
los 1140ºC a 2,97% a los 1160ºC, por lo que es a esa temperatura en donde inicia su
proceso de sinterización. También se puede observar que la composición C6 no alcanza
el valor de absorción de agua menor a 0,5% a ninguna de las temperaturas de cocción,
esto es debido al alto contenido de sílice que posee el feldespato lo que le confiere un
carácter refractario, por lo que necesita una temperatura mayor para poder lograr una
mayor sinterización y así alcanzar bajos valores de absorción de agua, que se requieren
para el desarrollo de un gres porcelánico. La presencia de gran cantidad de cuarzo en los
feldespatos es la razón principal de la alta temperatura de fusión de los mismos (Esposito
et al., 2005).
Por su lado la composición C7 con 50% de puzolana tiene un comportamiento más
reactivo que la composición C6, presentando valores de absorción de agua por debajo
del 1% a partir de 1160°C, y mostrando una gran estabilidad dimensional.
Figura 5-57 Curva de gresificación de la composición C6
Capítulo 5 91
Figura 5-58 Curva de gresificación de la composición C7
El uso de nefelina (NF) y vidrio reciclado (VR) como aditivos en composiciones de gres
porcelánico son eficaces porque reducen el rango de temperaturas de cocción en
aproximadamente 40°C en comparación con la composición C1, como se puede ver en
las curvas de gresificación de las composiciones C8 y C9 de la figura 5-59 y figura 5-60
respectivamente. En donde a partir de los 1160ºC los valores de absorción de agua ya se
encuentran por debajo del 0,5%.
Durante la cocción, estos materiales fundentes aceleran el proceso de densificación,
logrando una baja porosidad abierta y una menor absorción de agua, aunque tienen la
desventaja de aumentar la contracción lineal. Según Salem et al (2009) la nefelina
disminuye la viscosidad de la fase vítrea lo que produce una mayor contracción. La
viscosidad de la fase fundida es capaz de influir drásticamente en la contracción y la
porosidad de los cuerpos de gres porcelánico. Las variaciones en la contracción están
influenciadas por dos factores, el primero de ellos es la tensión superficial de la fase
líquida la cual tiende a reducir los poros y en segundo lugar, la expansión del gas ocluido
que tiende a expandir los poros, disminuyendo la contracción.
92 Desarrollo de un gres porcelánico incorporando arcillas colombianas sometidas a
un proceso de blanqueamiento
Figura 5-59 Curva de gresificación de la composición C8
Figura 5-60 Curva de gresificación de la composición C9
Resistencia a la flexión
En la figura 5-61 se presenta la resistencia a la flexión de las cuatro composiciones C6,
C7, C8 y C9 las cuales fueron formuladas con materias primas fundentes. En esta figura
se puede observar que las composiciones C7, C8 y C9 tienen los valores más altos de
resistencia a la flexión (mayores a 80 N mm-2) de todas las composiciones formuladas en
Capítulo 5 93
este estudio, indicando que la utilización de los materiales PZ, NF y VR potencializan las
propiedades mecánicas del producto final. Esto se puede explicar por el hecho de que
estas composiciones poseen una mineralogía rica en minerales fundentes los cuales
alcanzan la vitrificación a temperaturas menores, obteniendo porcentajes de absorción de
agua por debajo del 1% desde los 1140ºC. La composición C6 que está formulada con
50% de feldespato presenta una baja resistencia a la flexión (52,34 N mm-2 a 1200ºC),
esto se puede explicar por el hecho que el feldespato contiene porcentajes de sílice muy
altos lo que hace que tenga un comportamiento refractario y que el proceso de
vitrificación empiece a los 1200ºC. La vitrificación es un fenómeno asociado a la
formación de la fase líquida, esta fase penetra los poros, cerrándolos y aislando los poros
cercanos. La tensión superficial del líquido y la capilaridad ayudan a reducir la porosidad
lo que explica el decrecimiento intenso de la absorción de agua en este rango de
temperaturas.
Figura 5-61 Resistencia a la flexión de las composiciones C6, C7, C8 y C9
Análisis colorimétrico
En la figura 5-62 se muestran los resultados de los análisis colorimétricos de las
composiciones C6 y C7. En esta figura se puede observar una diferencia significativa en
94 Desarrollo de un gres porcelánico incorporando arcillas colombianas sometidas a
un proceso de blanqueamiento
el valor de la coordenada L* entre la composición C6 que está formulada con el 50% de
feldespato y la composición C7 que está formulada con el 50% de puzolana, esto es
debido principalmente a que el feldespato tiene bajos porcentajes de óxido de hierro,
mientras que la puzolana que a pesar que se le hizo tratamiento de beneficio para
disminuir su porcentaje de óxido de hierro, este es más alto que el del feldespato.
Figura 5-62 Parámetros colorimétricos de las composiciones C6 y C7
En la figura 5-63 se muestran los resultados de los análisis colorimétricos de las
composiciones C8 y C9. En esta figura no se observa una diferencia significativa en el
valor de las coordenadas L*, a* y b* entre estas dos composiciones, De esta figura
también es importante resaltar que en las temperaturas de 1140ºC a 1180ºC se observa
una disminución progresiva en la coordenada L*, lo cual es debido a la reducción del
Fe2O3 a FeO que es de color negro y a la formación progresiva de fase vítrea. Mientras
que a la temperatura de 1200ºC se observa un aumento en esta coordenada, lo cual
puede ser explicado por el hecho que la formación de fase cristalina como la mullita
puede ocluir, en parte, el óxido de hierro en su estructura, modificando el color en cocido
(Barba et al., 2002, p. 278).
Capítulo 5 95
Figura 5-63 Parámetros colorimétricos de las composiciones C8 y C9
En la figura 5-64 se muestran las probetas cocidas de las composiciones C6, C7, C8 y
C9 a cada temperatura de cocción, evidenciando el color después del proceso de
cocción.
Figura 5-64 Probetas cocidas de las composiciones C6, C7, C8 y C9
96 Desarrollo de un gres porcelánico incorporando arcillas colombianas sometidas a
un proceso de blanqueamiento
Densidades aparentes
En la figura 5-65 se muestran los resultados de las densidades aparentes de las
composiciones C6, C7. C8 y C9. En esta figura se puede observar que con la
introducción de las materias primas fundentes puzolana PZ, nefelina NF y vidrio reciclado
VR, se logra una mejor sinterización de la pasta, alcanzado los valores más altos de
densidad aparente de todas las composiciones formuladas, situación que se refleja en la
reducción de los valores de absorción de agua por debajo del 1% a partir de los 1160°C.
Figura 5-65 Densidades aparentes de las composiciones C6, C7. C8 y C9
Análisis por microscopía electrónica de barrido (MEB)
En la figura 5-66 se pueden observar las micrografías de las composiciones C6, C7, C8 y
C9 cocidas a 1180°C. En estas micrografías se puede observar una diferencia
significativa en la porosidad abierta, entre la composición C6 y C7. En donde la
composición C6 presenta mayor porosidad abierta, lo que explica los altos valores de
absorción de agua (figura 5-57) y los bajos valores resistencia a la flexión (figura 5-61) de
esta composición. Los altos valores de resistencia a la flexión de las composiciones C7,
C8 y C9 pueden deberse principalmente a la baja porosidad y al contenido de materiales
Capítulo 5 97
fundentes que favorecen la sinterización, permitiendo la formación de fase líquida, donde
cristaliza la mullita, que es una fase que también ayuda significativamente en el aumento
de la resistencia a la flexión. Las micrografías de las composiciones C7, C8 y C9 se
caracterizan por la presencia de poros con tamaños más estrechos y una microestructura
más homogénea, lo que justifica el valor de la resistencia mecánica obtenida. La
presencia de nefelina favorece el desarrollo de una microestructura más compacta, con
menor porosidad lo que provoca un aumento en la resistencia a la flexión (Esposito et al.,
2005). Con respecto a los análisis estadísticos que se presentan en la figura 5-67, se
aprecia un incremento en los valores de la matriz sinterizada (barra verde) y una
reducción del cuarzo libre (barra amarilla) confirmando que estos materiales mejoran la
reactividad de la pasta a menores temperaturas.
Figura 5-66 Micrografías de las composiciones C6, C7, C8 y C9
Micrografía composición C6 Micrografía composición C7
Micrografía composición C8 Micrografía composición C9
98 Desarrollo de un gres porcelánico incorporando arcillas colombianas sometidas a
un proceso de blanqueamiento
Figura 5-67 Análisis estadístico de las composiciones C6, C7, C8 Y C9
Análisis estadístico composición C6 Análisis estadístico composición C7
Análisis estadístico composición C8 Análisis estadístico composición C9
Desarrollo de composiciones de pasta con la incorporación de materias primas desgrasantes como chamote cerámico y arena sílice
Las composiciones C10 y C11 fueron formuladas con arena sílice y chamote cerámico, el
cual es un residuo de la propia industria cerámica con la idea de darle uso y aprovechar
este material de residuo. Además de disminuir la contracción lineal de las pastas
cerámicas de gres porcelánico y de darle una mayor estabilidad a la pasta. Estas
composiciones fueron desarrolladas basadas en las composiciones C8 y C9,
disminuyendo la puzolana un 5% y añadiendo esta misma proporción a la pasa
distribuida en 5% de chamote cerámico y 5% de arena sílice. Los porcentajes de cada
una de las materias primas que componen las diferentes composiciones se muestran en
la tabla 5-13.
Area Measurements
Are
a %
0
20
40
60
80
5.1% 18.5% 76.0% 0.4%
Area Measurements
Are
a %
0
20
40
60
80
100
3.9% 13.9% 81.8% 0.5%
Area Measurements
Are
a %
0
20
40
60
80
100
3.6% 15.5% 80.5% 0.5%
Area MeasurementsA
rea %
0
20
40
60
80
6.4% 17.2% 75.9% 0.5%
Capítulo 5 99
Tabla 5-13 Composiciones de pasta C10 y C11
MATERIA PRIMA C10 C11
AO 20 20
AT (tratada) 30 30
PZ (tratada) 40 40
NF 5
VR 5
Chamote cerámico 5
Arena Sílice
5
Análisis químico
En la tabla 5-14 se puede observar los análisis químicos de las composiciones C10 y
C11 preparadas con la adición de chamote cerámico y arena sílice respectivamente.
Estas dos composiciones tienen una composición química muy similar, con altos
contenidos de SiO2, los cuales se encuentran por encima del 79% y los más bajos
contenidos de Al2O3 de todas las composiciones desarrolladas en este estudio, todas por
debajo de un 12%. Lo que hace que la proporción alúmina/sílice sea muy baja, estando
entre 0,13% aproximadamente. Los contenidos de óxido de hierro Fe2O3 en las dos
composiciones se encuentran por debajo del 1% cumpliendo con el objetivo de
desarrollar composiciones de gres porcelánico de coloración clara. En cuanto a la
proporción de óxidos alcalinos (Na2O y K2O), se encuentran por debajo del 2%.
Tabla 5-14 Caracterización química de las composiciones C10 y C11
COMPOSICIONES SiO2 Al2O3 Fe2O3 TiO2 K2O Na2O MgO CaO P205 MnO PPC
C10 79,89 11,30 0,96 0,52 1,45 1,35 0,21 0,16 0,09 0,00 4,08
C11 79,83 11,97 0,69 0,45 1,61 1,12 0,20 0,29 0,09 0,00 3,74
Análisis mineralógico
En la figura 5-68 y en la figura 5-69 se presentan los difractogramas de las dos
composiciones, formuladas con chamote cerámico y arena sílice, después del proceso de
cocción a 1180ºC. En ellas se puede observar que las fases comunes, entre estas
composiciones son el cuarzo y la mullita.
100 Desarrollo de un gres porcelánico incorporando arcillas colombianas sometidas a
un proceso de blanqueamiento
Figura 5-68 Difractograma de la composición C10
Figura 5-69 Difractograma de la composición C11
Análisis cerámico
La variación de las propiedades de absorción de agua y contracción lineal en función de
la temperatura máxima de cocción de las composiciones C10 y C11 se presentan en la
figura 5-70 y figura 5-71 respectivamente. En estas figuras se puede observar que a
pesar que se cumplió con el objetivo de bajar la contracción lineal, la absorción de agua
aumenta bastante y cumple con la condición de tener valores de absorción de agua por
debajo de 0,5%, hasta los 1200ºC. La composición C10 logra alcanzar un valor de
absorción de agua de 0,4% a los 1200ºC con una contracción lineal de 7,96%, mientras
que la composición C11 logra alcanzar un valor de absorción de agua de 0,36% a los
1200ºC con una contracción lineal de 7,48%. Este aumento en la absorción de agua se
debe principalmente a que la composición contiene materias primas con alto contenido
de sílice y al adicionarle arena sílice su contenido aumento lo que la hizo más refractaría.
Capítulo 5 101
Figura 5-70 Curva de gresificación de la composición C10
Figura 5-71 Curva de gresificación de la composición C11
Resistencia a la flexión
En la figura 5-72 se presenta la resistencia a la flexión de las composiciones C10 y C11
las cuales fueron formuladas con la incorporación de chamote cerámico y arena sílice. En
esta figura se puede observar que estas dos composiciones tienen valores de resistencia
a la flexión a los 1200ºC de 55,97 N mm-2 para la composición C10 y de 52,06 N mm-2
102 Desarrollo de un gres porcelánico incorporando arcillas colombianas sometidas a
un proceso de blanqueamiento
para la composición C11. Los resultados obtenidos a nivel de absorción y resistencia a la
flexión muestran que la introducción de estos componentes disminuyen las propiedades
técnicas cerámicas del producto, situación que lleva a utilizar más energía para alcanzar
los valores técnicos que caracterizan un gres porcelánico.
Figura 5-72 Resistencia a la flexión de las composiciones C10 y C11
Análisis colorimétrico
En la figura 5-73 se muestran los resultados de los análisis colorimétricos de las
composiciones C10 y C11. En este análisis se puede observar que estas composiciones
no presentan una diferencia significativa en cuanto a los valores de las coordenadas
cromáticas, por ejemplo a los 1200ºC estas dos composiciones tienen una diferencia en
el valor de la coordenada L* de aproximadamente 3 puntos, con respecto a la
coordenada a* la diferencia es de 0.86 puntos y para la coordenada b* la diferencia es de
0.31 puntos. Comparando estos resultados, con las composiciones C7 y C8, se observa
que la composición C10 mejora en su grado de blancura.
Capítulo 5 103
Figura 5-73 Parámetros colorimétricos de las composiciones C10 y C11
En la figura 5-74 se observa el color obtenido en las probetas de gres porcelánico de las
composiciones C10 y C11 después de cocción en cada una de las temperaturas. En
donde no se aprecia una diferencia significativa en las dos composiciones.
Figura 5-74 Probetas cocidas de las composiciones C10 y C11
104 Desarrollo de un gres porcelánico incorporando arcillas colombianas sometidas a
un proceso de blanqueamiento
Densidad aparente
En la figura 5-75 se presentan los resultados de las densidades aparentes de las
composiciones C10 y C11. En esta figura se puede observar que estas composiciones
presentan los valores de densidad aparente más bajos de todas las composiciones
realizadas en este estudio, por lo que la introducción de materiales desgrasantes no
logran una buena sinterización de la pasta, situación que se refleja en el aumento de los
valores de absorción de agua.
Figura 5-75 Densidades aparentes de las formulaciones C10 y C11
Análisis por microscopía electrónica de barrido (MEB)
En la figura 5-76 y figura 5-77 se puede observar los resultados de la técnica de
microscopía electrónica de barrido de las composiciones C10 y C11 cocidas a 1180°C.
En las micrografías figura 5-76 se puede observar una gran porosidad abierta y en el
análisis estadístico figura 5-77 una reducción en la cantidad de matriz sinterizada (barra
verde), lo que explica los altos valores de absorción de agua obtenidos en las curvas de
gresificación de estas composiciones (figura 5-70 y figura 5-71); esta propiedad también
afecta la resistencia a la flexión de las composiciones, como puede verse en la figura 5-
72 donde se muestra que estas dos composiciones presentan los valores de resistencia
a la flexión más bajos de todas las composiciones desarrolladas en este estudio.
Capítulo 5 105
Figura 5-76 Micrografías de las composiciones C10 y C11
Micrografía composición C10 Micrografía composición C11
Figura 5-77 Análisis estadístico de las composiciones C10 y C11
Análisis estadístico composición C10 Análisis estadístico composición C11
5.1.6 Condiciones de Procesamiento
Con base a los resultados obtenidos a nivel de laboratorio, las condiciones de proceso
que se deben configurar para obtener una pasta de gres porcelánico con características
uniformes y con las mejores prestaciones tecnológicas son las siguientes: Con respecto a
las materias primas se recomienda que la porción plástica de la pasta este conformada
por una arcilla blanca plástica compuesta principalmente por illita, caolinita y bajos
contenidos de cuarzo, de tal manera que la illita proporcione la plasticidad y fundencia,
mientras que la caolinita aporte su refractariedad para ayudar en el control dimensional y
la alúmina para permitir la formación de mullita; esta última incrementa la resistencia
Area Measurements
Are
a %
0
20
40
60
80
10.6% 18.2% 70.7% 0.4%
Area Measurements
Are
a %
0
20
40
60
80
11.0% 19.6% 69.0% 0.4%
106 Desarrollo de un gres porcelánico incorporando arcillas colombianas sometidas a
un proceso de blanqueamiento
mecánica del producto terminado; los contenidos de óxidos colorantes deben ser
inferiores al 1%. Para la porción desgrasante se recomienda la utilización de la puzolana
para que ayude a la desgasificación de la pasta durante el precalentamiento y actúe
como un fundente durante la etapa de cocción a partir de los 1160°C. El tiempo de
maduración (tiempo de reposo de las arcillas después de haber sido explotadas) de las
materias primas que conforman la pasta no debe ser inferior a 2 meses para garantizar
un comportamiento homogéneo. Para la dosificación de la pasta, la fracción plástica debe
ser mínimo en un 50% de la formulación y la fracción desgrasante fundente no debe ser
mayor al 50%; si se requiere disminuir la contracción del producto final se puede
adicionar arena sílice o chamote cerámico pero en un porcentaje menor al 5%. Se puede
potencializar la fundencia de la pasta incorporando nefelina o vidrio reciclado, pero en un
porcentaje máximo de 5%.
En la etapa de molienda es importante tener varias condiciones presentes, dependiendo
cual formulación se va a trabajar, por ejemplo si se trabaja con formulaciones de pasta
que tengan incorporadas materias primas tratadas químicamente, es importante tener en
cuenta que este proceso de beneficio afecta la viscosidad de la barbotina por lo que se
debe añadir más agua o más defloculante para tener una buena fluidez. El residuo de la
barbotina debe ser inferior al 1% en malla de 63μm. En el proceso de prensado es
importante utilizar presiones de 350 kg cm–2 como mínimo para obtener un producto con
alta densidades aparentes y en el proceso de cocción la temperatura de cocción óptima
en la cual se alcanzan bajos valores de absorción de agua se encuentra entre los 1180°C
y 1200ºC.
5.2 Discusión
Con respecto al comportamiento cerámico de las arcillas analizadas en este estudio, se
puede concluir que las arcillas con altos contenidos de SiO2 y por ende altos contenidos
de cuarzo, como lo son las arcillas AT y AR, presentan una baja reactividad con la
temperatura, mostrando un comportamiento más refractario, que se manifiesta al
observar que al aumentar la temperatura, la contracción se mantiene casi constante y la
absorción de agua disminuye levemente, este comportamiento es asociado con la
dificultad de alcanzar un bajo nivel de porosidad, factor que influye en la resistencia
Capítulo 5 107
mecánica. Las arcillas AO y AS que tienen contenidos de SiO2 más bajos, presentan un
comportamiento más reactivo con la temperatura presentando menores valores de
absorción de agua.
Con respecto a los materiales fundentes, el feldespato FD y la puzolana PZ, se puede
observar que el comportamiento del feldespato a las temperaturas comprendidas entre
los 1100ºC y los 1140ºC es como de un material desgrasante, pero por encima de
1160ºC presenta un comportamiento fundente, obteniendo valores de absorción de agua
menores a 0,5% a los 1200ºC. La puzolana natural PZ por su parte, presenta un
comportamiento más reactivo con la temperatura y alta capacidad fundente, obteniendo
valores de absorción de agua menores a 0,5% a temperaturas de 1160ºC. La diferencia
principal entre estos dos materiales fundentes es que la puzolana por ser una roca
volcánica de origen extrusivo, es decir, qua ha tenido un enfriamiento rápido al estar
sobre la superficie, está constituida por cristales y una matriz vidriosa con composición
química de carácter feldespático. Mientras que el feldespato tiene una estructura
cristalográfica definida. Esta característica de la puzolana de tener una matriz vidriosa
que tiene la misma composición química de un feldespato, permite que sea más reactiva
con la temperatura ya que no necesita tanta energía para romper los enlaces.
Las materias primas analizadas en este estudio y que son actualmente usadas en la
fabricación de soportes cerámicos de coloración roja, pueden ser utilizadas como materia
prima en las formulaciones de pasta de gres porcelánico de coloración clara, si son
sometidas a tratamientos de beneficio para reducir la cantidad de óxidos colorantes, en
especial de óxido de hierro. Los tratamientos de beneficio aplicados a las materias
primas, basados en métodos físicos como lo es el tamizado y la sedimentación, reducen
la cantidad de óxido de hierro pero no son suficientes para alcanzar porcentajes por
debajo del 1% para poder utilizar estas materias primas en las formulaciones de pasta de
gres porcelánico de coloración clara.
Mientras que el método químico de beneficio utilizando ácido oxálico ha sido el
tratamiento que mejor comportamiento ha tenido en cada una de las materias primas en
las que fue aplicado, logrando reducciones significativas en el porcentaje de óxidos de
hierro. Es importante señalar que la mayoría de estudios que utilizan el ácido oxálico
para blanqueamiento de caolines, logran el objetivo, sometiendo una mezcla de caolín y
108 Desarrollo de un gres porcelánico incorporando arcillas colombianas sometidas a
un proceso de blanqueamiento
ácido oxálico a una temperatura alta, caso contrario en lo desarrollado en este estudio,
en donde se ha aplicado la técnica de lixiviación por lotes, realizando un riego por
aspersión con ácido oxálico a temperatura ambiente, condición que facilita su
implementación a un nivel industrial. La incorporación de materias primas tratadas
químicamente en la formulación de composiciones de pastas de gres porcelánico no
afecta las propiedades técnico-cerámicas de absorción de agua, contracción lineal y
resistencia mecánica. Esto se puede observar en las composiciones C1 y C2 las cuales
fueron formuladas con las mismas proporciones de materias primas pero con la
diferencia que la composición C1 es formulada con las materias primas tratadas y la
composición C2 con las materias primas sin tratar, presentando valores en estas
propiedades técnico-cerámicas muy similares.
El uso de la puzolana en la composición C7 en la cual hay sustitución total del feldespato,
muestra resultados bastante interesantes dado que alcanzan valores de absorción de
agua por debajo del 0,5% (0,43%) a la temperatura de 1180ºC, lo que reduce la
temperatura 20ºC en comparación de la composición C1 que es la fórmula base
seleccionada en el presente estudio; el feldespato no es un fundente tan reactivo
situación que se evidencia al no alcanzar el valor de absorción de agua menor a 0,5% a
ninguna de las temperaturas de cocción, esto es debido al alto contenido de sílice que
posee el feldespato lo que le confiere un carácter refractario, por lo que necesita una
temperatura mayor para poder lograr una mayor sinterización y así alcanzar bajos
valores de absorción de agua, que se requieren para el desarrollo de un gres
porcelánico.
El uso de la nefelina y el vidrio reciclado en las composiciones de pasta de gres
porcelánico ayudan a aumentar la capacidad fundente de la pasta, pero tienen la
desventaja de aumentar la contracción. El uso del vidrio reciclado permite disminuir el
impacto ambiental debido principalmente a que se reutiliza un material de desecho y se
disminuye el consumo de recursos naturales.
La incorporación de arena y chamote cerámico como desgrasantes en las composiciones
de pastas de gres porcelánico, ayudan a disminuir el valor de la contracción lineal pero
aumentan la absorción de agua.
6. Conclusiones y recomendaciones
6.1 Conclusiones
Se ha logrado mejorar el grado de blancura de las arcillas AT, AR y AS y la puzolana PZ,
mediante tratamientos de beneficio tanto físicos como químicos. Obteniéndose mejores
resultados con el método químico de lixiviación por lotes con ácido oxálico.
El metodo de lixiviación por lotes tiene mejores efectos en materiales que poseen
distribuciones granulometricas de mayor tamaño.
Las composiciones de gres porcelánico desarrolladas con las materias primas tratadas
incrementan la blancura, sin alterar las propiedades ceramicas de la pasta.
Se ha conseguido desarrollar diferentes composiciones de pasta de gres porcelánico con
materias primas nacionales. Lo que permitirá acceder a un mercado en alto crecimiento.
Con las composiciones de gres porcelánico desarrolladas se ha logrado mantener las
mismas características técnicas que actualmente poseen este tipo de productos.
Se abrió la posibilidad de habilitar minas que actualmente están siendo explotadas, para
la fabricación de productos de mayor valor agregado.
Se ha sustituido totalmente el feldespato potásico nacional por una puzolana natural, la
cual se puede considerar como una nueva materia prima fundente, para la fabricación de
gres porcelánico.
La utilización de fundentes como la puzolana natural en la fabricación de gres
porcelanico, permite impactar positivamente en el medio ambiente porque reduce los
consumos de gas disminuyendo las emisiones de CO2.
110 Desarrollo de un gres porcelánico incorporando arcillas colombianas sometidas a
un proceso de blanqueamiento
El vidrio reciclado sódico-cálcico utilizado, genera una reducción en el intervalo de
temperaturas de cocción, logrando bajar la temperatura de cocción en 40ºC.
La incorporación de arena y chamote cerámico como desgrasantes en las composiciones
desarrolladas en este estudio, ayudan a disminuir el valor de la contracción lineal pero
afectan la propiedad técnica de absorción de agua aumentando su valor.
6.2 Recomendaciones
Caracterizar los lixiviados, producto del tratamiento de blanqueamiento aplicado a las
materias primas con el fin de conocer su composición, para así poder determinar algún
tipo de uso o aplicación y disminuir su impacto ambiental.
Realizar pruebas combinando métodos de beneficio tanto físicos como químicos, para
determinar su impacto en el blanqueamiento de las materias primas.
Llevar a una escala industrial el tratamiento de beneficio de las materias primas utilizando
el método de lixiviación por lotes con ácido oxálico, para establecer los factores de
producción, los aspectos económicos y el adecuado manejo ambiental de los residuos
producidos.
Realizar una prueba industrial de la composición C7 que presentó muy buenas
prestaciones tecnológicas, con el fin de verificar su comportamiento y factibilidad de ser
usada como pasta de gres porcelánico a una escala industrial.
Hacer una caracterización de los tipos de vidrio reciclado que se comercializan en
Colombia, para conocer cuál de ellos puede ser incorporado en las formulaciones de
pasta de gres porcelánico, con la idea de desarrollar un producto con la totalidad de
materias primas nacionales.
A. Anexo: Productos
Desarrollo de una pasantía por seis meses en la Escuela Superior De Cerámica De
L’Alcora y en la Universidad Jaime I, Castellón (España).
Participación como ponente en el XV Congreso mundial de la calidad del azulejo y del
pavimento cerámico (QUALICER), celebrado los días 12 y 13 de febrero de 2018, en
Castellón (España), con la ponencia titulada “Desarrollo de un gres porcelánico
incorporando arcillas colombianas sometidas a un proceso de blanqueamiento”.
Participación como ponente en el XVI Congreso mundial de la calidad del azulejo y del
pavimento cerámico (QUALICER), celebrado los días 10 y 11 de febrero de 2020, en
Castellón (España), con la ponencia titulada “Influencia de las fases presentes en pisos y
revestimientos cerámicos a base de arcilla en las propiedades técnicas cerámicas”.
Artículo publicado: “Development of ceramic porcelain stoneware pastes by the
revalorization of Colombian clays subjected to bleaching process”. Applied Clay Science
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Artículo aceptado: “Determination of crystalline and amorphous phases of Colombian
clays used in the manufacture of ceramic tiles and their influence in the technical
properties”. Boletín de la Sociedad Española de Cerámica y Vidrio.
Artículo en revisión: Use of a natural pozzolana as a new flux in the production of ceramic
tile.
Artículo en revisión: Unidades geológicas arcillosas de Cundinamarca con potencial uso
para la fabricación de pisos y revestimientos cerámicos.
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